Fotosintesis2011 - Liceo Marta Donoso Espejo

LICEO MARTA DONOSO ESPEJO
DEPARTAMENTO BIOLOGÍA Y CIENCIAS
TALCA
Fotosíntesis: la base de las cadenas alimentarias
La fotosíntesis consiste en una serie de procesos mediante los cuales las plantas, algas y algunas bacterias
utilizan energía luminosa para transformar compuestos inorgánicos presentes en el medio, en materia orgánica
indispensable para su crecimiento y desarrollo.
Los organismos que realizan fotosíntesis (fotoautótrofos) constituyen la base de la gran mayoría de las cadenas
alimentarias que caracterizan la vida actual en la tierra, pues proveen de materia orgánica a los organismos que
se alimentan de ellos y, por su intermedio, al resto de los organismos.
La fotosíntesis es muy importante también porque, con excepción de lo que ocurre en algunas bacterias, libera
oxígeno molecular a la atmósfera, desde donde puede ser tomado por los organismos aeróbicos. Incluso, se
sabe actualmente que fue gracias a la actividad masiva de los primeros organismos fotosintéticos
(cianobacterias) que el contenido de la atmósfera primitiva, pobre en oxígeno, cambió, facilitando el desarrollo
y la diversificación de la vida en la tierra. Las reacciones involucradas en la fotosíntesis se pueden resumir en la
siguiente ecuación:
luz
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Los reactantes son el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O) y los productos son la glucosa (C6H12O6) u
otros carbohidratos (CH2O)n , el oxígeno (O2), y la energía la provee la luz.
Estructuras fotosintéticas de las plantas
En las plantas, la fotosíntesis se realiza en órganos y tejidos específicos, cuyas células contienen cloroplastos.
Las hojas son los principales órganos fotosintetizadores y, en menor medida, los tallos verdes.
En un corte transversal, a través de la lámina de la hoja se observan diferentes tejidos:
* Epidermis. Es el tejido externo, formado por
células sin cloroplastos que recubren la lámina de la
hoja. Se encuentra cubierta por una secreción cerosa
llamada cutícula, que reduce la pérdida de agua. En
la epidermis se ubican los estomas, principalmente,
en el envés de la hoja.
* Mesófilo. Es un tejido formado por células con
numerosos cloroplastos, por lo que es allí donde
ocurre la fotosíntesis. Se organiza en dos subtipos de tejido: el parénquima en empalizada, que contiene las
células expuestas a la luz y el parénquima esponjoso, cuyas células están separadas por espacios que facilitan la
difusión del CO2 y O2.
* Tejido conductor. Se observa a simple vista como la nervadura de la hoja. Está compuesto por vasos del
xilema y el floema, los que se distribuyen entre las células del mesófilo.
En los organismos fotoautótrofos eucarióticos (algas y plantas), la fotosíntesis ocurre en los cloroplastos. Estos
organelos están limitados por dos membranas, una interna y otra externa. Su estructura interna está formada
por los grana (granum en singular), que son agrupaciones de sacos membranosos en forma de disco,
denominados tilacoides. En las membranas de los tilacoides se ubican los pigmentos y las proteínas necesarias
para captar la energía de la luz, organizados en los llamados fotosistemas. Los grana están inmersos en una
fase acuosa llamada estroma, donde ocurre otro grupo de reacciones que completan la fotosíntesis.
Pigmentos y fotosistemas
El principal pigmento fotosintético es la clorofila, que es de color verde. Existen varios tipos - clorofila a, b, c y
d- siendo típicas de las plantas, la clorofila a y b. Además, las plantas presentan pigmentos auxiliares de color
amarillo, anaranjado o rojizo, llamados carotenoides (carotenos y xantofilas), los que también se encuentran
en otros organismos fotosintéticos. Las ficobilinas son pigmentos rojos y azules, presentes en algas y
cianobacterias.
Un fotosistema es un conjunto funcional formado, por más
de 200 moléculas de pigmento. Existen dos tipos de
fotosistemas: El fotosistema I (FSI), asociado a moléculas de
clorofila, que absorben longitudes de onda de 700 nm, por
lo que se las conoce como P700, y el fotosistema II (FSII),
asociado a moléculas de clorofila que absorben en 680 nm,
por lo que se les denomina P680.
Fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis se divide en dos fases, que inicialmente
fueron llamadas fase luminosa y fase oscura, pues se
pensaba que solo la primera dependía de la luz.
Actualmente, la primera fase se denomina frecuentemente
fase fotoquímica o reacción de Hill y la segunda, suele
denominarse fase de fijación del dióxido de carbono o ciclo
de Calvin-Benson, pues se plantea que la principal enzima de
esta etapa es estimulada indirectamente por la luz.
La fase fotoquímica ocurre en los tilacoides y consiste, en términos generales, en la captación de la energía
luminosa por los pigmentos fotosintéticos y su almacenamiento en dos moléculas sencillas (ATP y NADPH).
El ciclo de Calvin-Benson se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto y consiste en la utilización de la energía
almacenada en el ATP y NADPH para asimilar del CO2 captado del medio y producir hidratos de carbono (y
otras moléculas orgánicas).
I. Fase fotoquímica
En esta fase se produce la activación de la clorofila de ambos fotosistemas, que libera
electrones:
* En el fotosistema II, los electrones excitados van
activando secuencialmente a electrones de diferentes
moléculas en la llamada cadena transportadora de
electrones. Su energía es usada para bombear protones
de hidrógeno y sintetizar ATP, a partir de un grupo fosfato y
ADP, en una reacción llamada fotofosforilación. La energía de la luz
produce, además, la descomposición (fotólisis) del agua, en oxígeno,
protones y electrones. El oxígeno sale al exterior y los electrones son
incorporados al fotosistema II, en reemplazo de los que salieron al inicio de
las reacciones.
* En el fotosistema I, los electrones excitados también entran en una cadena
transportadora y su energía es utilizada para sintetizar NADPH a partir de
NADP+, protones provenientes del agua y los electrones cedidos por el
fotosistema I.
* Cuando actúan ambos fotosistemas, se produce la llamada fotofosforilación
no cíclica, que genera ATP y NADPH. Si solo actúa el fotosistema I, el proceso se
denomina fotofosforilación cíclica y se genera solamente ATP, sin liberación de
oxígeno. Este último proceso es considerado una forma primitiva de la fotosíntesis, pero se suele producir de
manera simultánea a la fotofosforilación no cíclica.
II. Ciclo de Calvin-Benson
Durante estas reacciones, el dióxido de carbono que ha sido captado de la atmósfera por las plantas terrestres,
o del agua, en los organismos acuáticos, es modificado por la adición de hidrógeno para formar carbohidratos.
La energía que requieren estas reacciones proviene de la fase fotoquímica de la fotosíntesis (ATP y NADPH) y
queda almacenada en los carbohidratos, desde donde puede ser liberada posteriormente por la glicólisis y
otros procesos metabólicos.
Las reacciones de fijación del carbono en los organismos fotosintéticos fueron estudiadas inicialmente por
Melvin Calvin y sus colaboradores en los laboratorios de Berkeley (California), lo que hizo a este científico
acreedor del premio Nobel, en 1961.
El ciclo de Calvin llamado también vía de los tres carbonos o C3 - porque el primer producto formado contiene
tres carbonos- ocurre en el estroma de los cloroplastos y genera, a partir de seis moléculas de dióxido de
carbono, una molécula de glucosa.
La enzima que cataliza esta fijación del carbono es la RuBP carboxilasa, llamada comúnmente rubisco. Esta
enzima también puede combinarse con oxígeno en un proceso llamado fotorrespiración, que libera CO2 en
lugar de fijarlo. Para evitar la fotorrespiración, ciertas plantas han desarrollado una vía previa al ciclo de Calvin,
llamada vía de los cuatro carbonos (o C4). Algunas plantas que usan la vía de los cuatro carbonos, como la caña
de azúcar y el maíz, crecen en los trópicos y están adaptadas a mayores temperaturas.
Otra variante del ciclo de Calvin-Benson está representada por la vía CAM (en español, metabolismo ácido de
las crasuláceas). Este ciclo se diferencia del C4 en un producto intermedio de sus reacciones: un ácido que se
acumula en la vacuola de la célula, desde donde es luego tomado para continuar el ciclo.
Como parte de las características de este proceso, los estomas se abren de noche y se cierran de día, de forma
inversa a las demás plantas. Esto reduce enormemente la pérdida de agua en las plantas CAM, lo que las
habilita para vivir en ambientes secos y calurosos. Los cactus y las plantas suculentas presentan la vía CAM.
Factores que influyen en la fotosíntesis
La actividad fotosintética de una planta se mide indirectamente por el CO2 consumido o por el O2 liberado. La
actividad fotosintética depende de diferentes factores, algunos propios del organismo o internos y otros
externos o ambientales
Los factores internos influyen directamente en la difusión del CO2 y O2 y también en la pérdida de agua. Están
asociados, principalmente, con la estructura de la hoja: grosor de la cutícula, la epidermis, el número de
estomas y los espacios entre las células del mesófilo. Además, la actividad fotosintética está sujeta a
retroalimentación negativa: cuando es muy alta, se produce mucha glucosa que es almacenada como almidón
en los cloroplastos, lo que inhibe las reacciones fotosintéticas.
En cuanto a los factores ambientales, los más importantes son la intensidad luminosa y la temperatura.
También influyen la disponibilidad de agua, la concentración de CO2 y de O2.
Esquema de la fase luminosa
Fuente:
www.educarchile.cl/
Fuente:
En términos generales, a mayor intensidad
luminosa, mayor actividad fotosintética. Sin
embargo, como muestra el gráfico, hay
especies adaptadas a diferentes niveles
óptimos de iluminación.
La actividad fotosintética aumenta con la
temperatura, hasta llegar a un máximo después del
cual empieza a declinar por la desnaturalización de
algunas enzimas. La temperatura óptima también
varía entre diferentes especies.
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En términos generales, a mayor intensidad luminosa, mayor actividad fotosintética. Sin embargo, como
muestra el gráfico, hay especies adaptadas a diferentes niveles óptimos de iluminación.
La actividad fotosintética aumenta con la temperatura, hasta llegar a un máximo después del cual empieza a
declinar por la desnaturalización de algunas enzimas. La temperatura óptima también varía entre diferentes
especies.
ACTIVIDADES
1.
Explique qué se entiende por autótrofo y heterótrofos
2.
Qué relación tiene el oxigeno con la fotosíntesis y la respiración celular
3.
Qué relación tiene la glucosa con la fotosíntesis
4.
Dibuje un cloroplasto y coloque el nombre de sus partes
5
La respiración celular es un proceso similar a la fotosíntesis. Haz un paralelo entre ambos procesos
¿Cuáles son sus materias primas? ¿Cuáles son sus productos? ¿A qué organelo celular se asemeja el
cloroplasto? Fundamenta
6.
Completa el siguiente cuadro:
Fotosíntesis
Respiración celular
Materias primas
Organelo celular
Productos
7. ¿Cuál es el rol de la fotosíntesis en el equilibrio global de la vida en la Tierra?
8. En comparación con los organismos animales, los organismos vegetales gozan de una gran ventaja para
obtener su alimento. ¿Cuál es esta ventaja?
9. No olvides que los vegetales son también seres vivos. Como tal, realizan ciertas funciones características de
los organismos vivos. Recuerda cuáles son estas funciones y luego reflexiona en torno a las siguientes
preguntas:
a.
¿Las plantas realizan fotosíntesis en la oscuridad?
b. ¿Las plantas tienen respiración celular, como los organismos animales? Es decir, ¿pueden respirar O2 y
eliminar CO2, tal como lo hacemos los humanos y demás animales?
11. Analiza la ecuación de la fotosíntesis y contesta:
•
¿Cuáles son las fases de la fotosíntesis?
•
¿Cuáles son los reactantes y los productos de las fases de la fotosíntesis?
•
¿A partir de qué molécula se produce oxígeno?, ¿y glucosa?
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TALCA
Guía de actividades Fotosíntesis
1. Defina los siguientes conceptos: ATP y el NADPH, fotones, electrón, estroma, ciclo de Calvin
2. Explique en qué consiste la fase secundaria o independiente de la luz
3. Explique la siguiente ecuación: Energía lumínica
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
4.
Coloque V o F a las siguientes afirmaciones. Justifique las falsas:
……………….. En el ciclo de Calvin ocurre la síntesis de ATP y NADPH.
……………………………………………………………………………………………………………….
………………. Los estomas son los lugares de las hojas en los que ocurre la fotosíntesis.
…………………………………………………………………………………………………………………
……………….Un fotosistema está compuesto por el centro de reacción y por los pigmentos antena.
…………………………………………………………………………………………………………………
……………….En la fotosíntesis, la fase dependiente de luz se inicia en el fotosistema I.
………………………………………………………………………………………………………………...
………………. El oxígeno (O2) se forma a partir de la molécula de dióxido de carbono (CO2).
………………………………………………………………………………………………………………..
………………. La membrana tilacoidal se encuentra ubicada al interior del cloroplasto.
……………………………………………………………………………………………………………….
………………..La molécula de ATP posee un alto valor energético.
……………………………………………………………………………………………………………….
………………. La fotosíntesis es un proceso de tipo exergónico.
………………………………………………………………………………………………………………
………………. La transpiración consiste en la pérdida de agua por la planta, a través de sus estomas
………………………………………………………………………………………………………………………
5.
Describe brevemente las fases de la fotosíntesis
6.
Enumera en forma secuencial los siguientes procesos
…...………. La energía lumínica es conducida por el complejo antena hacia el centro de reacción.
…………… Se forma el NADPH.
…………… La clorofila del centro de reacción del fotosistema II es estimulada por la energía lumínica.
…………… Se estimula el fotosistema I.
…………… Ocurre la fotólisis del agua.
7. Explica cómo afecta la intensidad luminosa, temperatura y disponibilidad y concentración de CO2 en la tasa
fotosintética
8.
Analiza el gráfico que aparece a continuación, y responde en tu
cuaderno las preguntas planteadas.
 ¿Qué título le pondrías al gráfico?, ¿por qué?
 ¿Qué ocurre con la tasa fotosintética a medida que aumenta la
concentración de CO2? Explica.
 ¿A qué se debe la diferencia en la tasa fotosintética entre los 20
ºC y los 30 ºC? Fundamenta.
9. Define los siguientes 13 términos DE ESTA SOPA DE LETRAS
E
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T
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