Elementos para la vida

Prof. Alejandro Frutos C.
Guía de Biología: Fotosíntesis
Fecha
I.ANTECEDENTES GENERALES
UNIDAD Nº: 4
CONTENIDOS
FECHA DE ENTREGA:
PUNTAJE TOTAL
NOTA
II. ANTECEDENTES ALUMNO
NOMBRE
CURSO
Nombre Unidad:
ECOLOGÍA
Fotosíntesis ,
Organismos autótrofos.
PUNTAJE OBTENIDO:
Primero Medio
Instrucciones:
-Luego de leer el contenido de ésta guía realiza las actividades propuestas.
-Responde en forma individual o grupal, con un máximo de 3 integrantes.
-Las preguntas formuladas en esta guía y sus correspondientes respuestas deben transcribirse a
una hoja en formato Word o similar, colocando además en ésta, su nombre completo y curso.
-Enviar al mail que le indicó su profesor, para su corrección y registro, dentro del plazo indicado.
-Al mail que usted indique se le enviará corrección.
FOTOSÍNTESIS
La naturaleza está conformada por elementos vivos y elementos no vivos o inertes. Los
elementos vivos se denominan factores bióticos: animales, vegetales, bacterias y hongos. Los
elementos no vivos o inertes se llaman factores abióticos: aire, suelo, agua y todas las
condiciones del clima y de la luz.
De todos los seres vivos, los fundamentales y que representan la fuente de materia y energía son
los vegetales clorofilados (tienen clorofila), ya que ellos son los únicos capaces de fabricar su
propio alimento. A través de un proceso llamado fotosíntesis que utiliza el dióxido de Carbono
atmosférico (elemento inerte o abiótico) como una de sus principales materia primas. Al tener esta
capacidad, a los vegetales se les denomina autótrofos; es decir, organismos capaces de fabricar
su propio alimento.
La fotosíntesis es, entonces, un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las
plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía del sol en forma de luz y la
transforman en energía química para fabricar moléculas orgánicas (proceso anabólico).
Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biósfera terrestre —la zona del planeta
en la cual hay vida— procede de la fotosíntesis.
La fotosíntesis se inicia en la clorofila (pigmento verde); luego deben concurrir las consideradas
materias primas: el agua (H2O) (llevada a las hojas desde la raíz), y el anhídrido carbónico o
dióxido de carbono (CO2 ), aportado en abundancia en la atmósfera terrestre.
Por ejemplo, un árbol centenario puede llegar a tener 200.000 hojas y aunque su contenido total de
clorofila no llegue a los 200 gramos, en un día soleado es
capaz de asimilar 9.400 litros de dióxido de carbono,
producir 12 Kg de hidratos de carbono y liberar la misma
cantidad de oxígeno que el dióxido de carbono asimilado.
Expuesta al sol, la hoja con clorofila capta de éste su luz en
forma de energía lumínica, la cual provoca la reacción de
las moléculas de agua (H2O) separándolas en hidrógeno
+
(H o ion hidrógeno) y oxígeno (O) y acumulando como
moléculas ATP la energía liberada (en forma de
electrones).
El hidrógeno (ión hidrógeno o protones de hidrógeno ya que
han perdido su electrón) del agua es almacenado en la
planta y el oxígeno (producto de la separación de las
moléculas de agua) es expulsado al exterior como material
de desecho de la fotosíntesis (desecho muy bienvenido por
Las materias primas para producir
los seres vivos que lo usan para respirar).
glucosa.
Luego, el ión hidrógeno se unirá al CO2 que la planta toma del aire (atmósfera) y comienza a
ocurrir una serie de reacciones químicas, en las cuales se van formando compuestos hasta llegar a
formar la glucosa que es un compuesto orgánico; es decir, está formado por C, H, O. La glucosa
se forma gracias a la energía que aporta la molécula de ATP. Junto con la glucosa la reacción
entre el dióxido de carbono y los iones hidrógeno libera moléculas de nueva agua que se forman
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con hidrógenos sobrantes del agua aportada desde las raíces unidos a oxígenos sobrantes del
CO2.Ya presente la glucosa, ésta participa en una serie de reacciones que llevan a la formación del
almidón. Este también es un compuesto orgánico. El almidón baja por unos conductos especiales
hacia la raíz, donde se almacena.
Es muy importante no confundir el proceso de fotosíntesis de la planta con la respiración de la
misma. En este último proceso, la planta realiza una acción inversa, ya que toma oxígeno del aire y
expulsa dióxido de carbono ,en las mitocondrias, todo esto en forma simultánea con la fotosíntesis
durante el día. En la noche, la planta sólo respira.La fotosíntesis es un proceso cuya finalidad fue
ya intuida por Van Helmont a principios del siglo XVII. Sin embargo, la comprensión de su base
molecular, imprescindible para poder ser imitada artificialmente con el fin de obtener energía, sólo
empezó a lograrse durante la segunda mitad del siglo XX.
Los libros de Ciencias Naturales generalmente definen la fotosíntesis como la producción de
glucosa a partir de dióxido de carbono atmosférico (CO 2) y agua, gracias a la luz solar, según la
reacción global:
Sin embargo, esto no es más que una simplificación de un proceso muy complejo, en el cuál la
etapa clave es la rotura de una molécula de agua por la luz solar, liberándose oxígeno gaseoso, y
obteniéndose iones hidrógeno y electrones. Estos últimos servirán para reducir el CO2 (ganando
electrones)
hasta
glucosa
en
las
etapas
siguientes
de
la
fotosíntesis:
La reacción química de la fotosíntesis es la siguiente:
Como podemos ver en la fórmula, seis moléculas de dióxido de
carbono más doce moléculas de agua, en presencia de luz solar
y de clorofila, producen una molécula de glucosa, seis
moléculas de agua y seis moléculas de oxígeno, este último
liberado hacia la atmósfera. Las hojas captan la energía
lumínica del sol gracias a la clorofila, pigmento verde que está
en los tilacoides de los cloroplastos de las células. El dióxido
de carbono de la atmósfera penetra por los estomas (poros) de
las hojas. Las raíces absorben agua y sales minerales (savia
bruta) que llegan a las hojas a través del tallo. El hidrógeno del
agua (separado del oxígeno) se combina con el dióxido de
carbono y originan glucosa y nuevas moléculas de agua, en
tanto el oxígeno derivado del agua que llegó desde las raíces se
libera hacia la atmósfera. Las plantas aprovechan la glucosa
Desde las raíces hasta las
como alimento y guardan una parte como reserva ( almidón)
hojas.
La fotosíntesis consta de dos etapas o
fases: la fase inicial o lumínica, y la
fase secundaria u oscura.
Fase inicial o lumínica .En ella
participa la luz solar. La clorofila ,en la
membrana de los tilakoides, capta la
energía solar (luz). La luz provoca la
ruptura de la molécula de agua; es
decir, se rompe el enlace químico que
une el hidrógeno con el oxígeno.
Debido a esto, se libera oxígeno hacia
el medio ambiente. La energía no
ocupada se almacena en una
molécula especial llamada ATP. El
hidrógeno que se produce al romperse
la molécula de agua se guarda, al
igual que el ATP, para ser ocupado en
la segunda etapa de la fotosíntesis.
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Fase secundaria u oscura .
En esta etapa no se ocupa la luz, a pesar de estar presente. Ocurre en el estroma de los
cloroplastos. El hidrógeno y el ATP, formados en la etapa lumínica, se unen con el CO 2 (dióxido de
carbono o anhídrido carbónico) y comienza a ocurrir una serie de reacciones químicas anabólicas,
por las cuales se van formando compuestos hasta llegar a glucosa que es un compuesto orgánico;
es decir, está formado por C, H, O. La glucosa se forma gracias a la energía que aporta la
molécula de ATP. Ya presente la glucosa, ésta participa en una serie de otras reacciones, que
llevan a la formación del almidón. Este también es un compuesto orgánico de reserva.
Factores que afectan la tasa de Fotosíntesis.
A. Intensidad Luminosa. La tasa fotosintética aumenta al aumentar la intensidad lumínica (hasta
600 Watts) sobre este valor, inicialmente se mantiene constante, y luego desciende.
B. Temperatura. El proceso es eficiente entre los 10 oC y 35 oC .
C. Concentración de CO2. Es el sustrato inorgánico más importante de la fotosíntesis, ya que es la
fuente de carbono para la síntesis de moléculas orgánicas .
D. Agua. Esta materia prima es importante ya que no sólo aporta electrones y protones sino
también, porque participa en todas las reacciones químicas de este proceso.
E. Sales minerales. Son necesarias para la síntesis de moléculas orgánicas como la clorofila y para
algunos cofactores enzimáticos.
I.L.A.: Intensidad lumínica alta
I.L.B.: Intensidad lumínica baja
Importancia biológica de la fotosíntesis
La fotosíntesis es seguramente el proceso
bioquímico más importante de la biósfera por varios
motivos:
1. La síntesis de materia orgánica a partir de la materia
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.
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.
Se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la
fotosíntesis.
ACTIVIDADES:
1.-Describe cuales son las características de los organismos autótrofos y su importancia para el
planeta.
2.-Resume en cuatro pasos la fotosíntesis.
3.-Compara en una tabla la fase lumínica de la oscura.
4.-Si experimentalmente una planta se somete a las siguientes situaciones, ¿que ocurre y porque?
:
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a) tº de 40 ºC
b) luz débil
c) deshidratación
5.-Describe tres consecuencias que traería la desaparición de las plantas.
7.- ¿Cuál es la importancia de la fotosíntesis?
8.- Define los siguientes conceptos
a)
Autótrofos
b)
Heterótrofos
c)
Reactante
d)
Producto
e)
Fotosíntesis
f)
Respiración celular
g)
Anabolismo
h)
Catabolismo
i)
Glucosa
j)
Almidón
k)
Oxigeno
l)
Dióxido de carbono
m)
ATP
n)
Productores
o)
Consumidores
p)
Descomponedores
q)
Herbívoro
r)
Carnívoro
s)
Omnívoro
t)
Cadena alimentaria
u)
Trama alimentaria
8.- En relación a la fotosíntesis responde las siguientes preguntas
a)
Menciona los reactantes y los productos
b)
Explica las fases en que ocurre la fotosíntesis indicando producto en cada una de ellas
c)
Realiza un paralelo de 5 puntos entre fotosíntesis y respiración celular
d)
Nombra y explica los factores que inciden en el proceso de fotosíntesis
e)
Establece la estructura y función de: clorofila, tilacoide, grana y cloroplasto
f)
¿Explica la importancia de la fotosíntesis en un ecosistema?
MATERIAL COMPLEMETARIO DE PROFUNDACIÓN DE CONTENIDOS
Fase Luminosa
Para entender las reacciones de la
fase luminosa debemos primero
analizar la estructura de la membrana
tilacoidal, que contiene a las
siguientes estructuras:
Clorofila
Es un pigmento, de color verde, que
está en la membrana tilacoidal, y que
atrapa la luz solar y sólo refleja la
parte verde del espectro. Hay dos
tipos principales: clorofila a y b. La clorofila consta de un anillo porfirínico (como el grupo hemo)
con un magnesio central (Mg), y una cola de fitol.
Fotosistemas
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Son los complejos
de pigmentos que
atrapan la luz solar.
Constan de muchas
moléculas
de
pigmentos
diferentes. En las
plantas superiores
(que son a las que
nos solemos referir)
el predominante es
la clorofila, en dos
versiones (a y b),
pero
también
contienen
otros
tipos de clorofila y
carotenos,
que
están dispuestos de tal manera que entreguen la energía que absorben de la luz a una clorofila
especial, llamada centro de reacción.
Hay dos fotosistemas diferentes, un tanto adaptados a su función y diferenciados por su centro de
reacción: el FS1 y el FS2.
Fotosistema 1: Su centro de reacción es una clorofila llamada P700, por responder mejor a la
longitud de onda de 700nm. Es el segundo fotosistema del grupo. Entrega sus electrones a un
aceptor llamado ferrodoxina, y recibe electrones provenientes del Fotosistema 2.
Fotosistema 2: Su centro de reacción es una clorofila llamada P680, por responder mejor a esa
longitud de onda. Es el primer fotosistema del grupo. Entrega sus electrones excitados al aceptor
primario plastoquinona, y recupera sus electrones quitándoselos al agua, produciendo
hidrogeniones y oxígeno molecular, que sale a la atmósfera.
Transportadores de electrones
Después de los fotosistemas hay
moléculas que aprovechan la
energía de los electrones para
bombear protones al espacio
tilacoidal, formando un gradiente
de protones que sirve para
fabricar ATP.
Después del FS2 vienen los
siguientes transportadores de
electrones: plastoquinona, una
serie de citocromos y la
plastocianina.
Después del FS1 vienen los
siguientes
transportadores:
Ferrodoxina y flavín adenin dinucleótido, que traspasa los electrones a las moléculas de NADP+,
que los toman junto con un hidrógeno para formar
NADPH.
ATP Sintetasa
En la membrana tilacoidal también encontramos ATP Sintetasas, que aprovechan el gradiente de
protones que forman los transportadores para fosforilar ADP en ATP, produciendo energía para las
reacciones de la Fase Oscura.
FASE LUMINOSA
Dentro de esta etapa podemos distinguir tres eventos importantes:
• Síntesis de ATP por fotofosforilación
• Síntesis de NADPH
• Fotólisis del agua
Vamos a recorrer la ruta de los electrones explicando esta fase:
- Todo empieza en el FS2, que es excitado por los fotones de la luz, excitando sus electrones, los
que saltan al aceptor primario plastoquinona.
- De la plastoquinona saltan a los citocromos, y después a la plastocianina.
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- La energía de los “saltos” se ocupa para formar el gradiente de protones que fabricará ATP.
- El FS2 queda con déficit de electrones, los que recupera partiendo la molécula de agua y
quitándole 2 electrones por molécula. Mientras pasa esto, en el FS1 también los fotones excitan
electrones, los que pasan al aceptor primario ferrodoxina.
- Como el FS1 se quedó con déficit de electrones, toma los que llegan a la plastocianina desde el
FS2.
- De la ferrodoxina, los electrones saltan a una molécula de FAD, que los traspasa a los NADP+,
formando NADPH, el que se ocupa en la Fase Oscura.
- La ATP Sintetasa aprovecha la energía almacenada en el gradiente de protones para producir
ATP.
- Este proceso se llama Transporte no cíclico de electrones, puesto que los electrones pasan del
agua a las moléculas de NADPH.
Otra manera en la que puede producir ATP es el Transporte cíclico de electrones, en donde se
ocupa sólo el FS1 para producir la gradiente de protones, para fosforilar ATP.
- Cuando hay mucho NADPH, el aceptor ferrodoxina, en vez de entregar los electrones al FAD, los
entrega a los citocromos de la cadena transportadora de electrones anterior, los que luego pasan a
la plastocianina y de nuevo al FS1.
- Como los electrones salen y llegan al mismo lugar, se le llama transporte cíclico. Genera ATP, no
NADPH, y sirve para equilibrar las cantidades de NADPH y ATP que se producen.
FASE OSCURA
Aquí se aprovecha la energía guardada en el ATP y en el NADPH para producir compuestos
orgánicos a partir del CO2.
Está dividida en 2 procesos
• Ciclo de Calvin
• Producción de materia orgánica
Ciclo de Calvin
El Ciclo de Calvin es una
serie de reacciones que
transforman el CO2 en
una molécula orgánica
llamada
gliceraldehido
fosfato, o PGAL, que
después pasará a la
síntesis de compuestos
orgánicos.
El Ciclo de Calvin se
puede dividir en tres
fases
• Carboxilativa: El CO2
se fija a una molécula de
5
carbonos
llamada
ribulosa 1,5 difosfato
(RuDP), formando un
intermediario inestable,
que da paso a dos
moléculas de ácido 3
fosfoglicérico, o PGA.
• Reductiva: El PGA es
reducido, en dos pasos, a gliceraldehido 3 fosfato, que va saliendo del ciclo más o menos en razón
de 1 molécula de cada 6 producidas.
• Regenerativa: Las moléculas de PGAL restantes pasan por una serie de procesos para volver a
formar la RuDP.
La primera fase, carboxilativa, es catalizada por la proteína que se considera que es la más
abundante en la Tierra: la enzima RuBisCO.
La RuBisCO está formada por 8 subunidades pequeñas (que son producidas por el ADN celular) y
8 grandes (que son producidas por el ADN del cloroplasto). Además tiene doble funcionalidad:
puede integrar CO2 al Ciclo u O2, dependiendo de sus concentraciones.
Cuando integra O2, se llama fotorrespiración (que no debe confundirse con la respiración de las
mitocondrias), y no tiene función conocida, salvo perder gran parte de la RuDP, puesto que al
oxidarla no se obtiene ATP ni NADPH ni ninguna molécula energética.
Producción de materia orgánica
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Las moléculas de gliceraldehido fosfato que van saliendo del Ciclo de Calvin toman diversas rutas
metabólicas que las llevarán a convertirse en aminoácidos, lípidos, carbohidratos o ácidos
nucleicos.
Una molécula de gliceraldehido fosfato tiene 3 carbonos, por lo que se necesitan 2 de estas para
hacer una glucosa. Como para sacar un gliceraldehido del ciclo se necesitan 6 vueltas de éste,
para obtener una glucosa necesitamos 12 vueltas del ciclo.
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