El Proceso de la Fotosíntesis Guizar Agredano Oscar Hernández Mejía Diana Martínez Herrera Arlette Mendivil Pindter Diego Rodríguez Durán Alejandra 2 tipos de fotosíntesis La fotosíntesis oxígenica o fotolitótrofa (Plantas, algas y cianobacterias) 6 CO2 + 6 H2O + 686 kcal/mol -> C6H12O6 + 6 O2 Productos -Energía de la luz del sol - dióxido de carbono (sustrato a reducir) - agua (dador de electrones que se oxida) Reactivos - Fabrican glúcidos -liberar oxigeno a la atmosfera o hidrosfera - ATP y NADHP La fotosíntesis anoxígenica o foto-organótrofa (bacterias como la bacterias purpúreas del azufre y la bacterias verdes del azufre) 2H2S + CO2 ---> [CH2O] + H2O + 2 S Productos - energía de la luz del sol - dióxido de carbono (su sustrato a reducir) - sulfuro de hidrógeno (en lugar del agua, como dador de electrones que se oxida ) Reactivos - fabrican glúcidos - se libera azufre a el medio acuoso donde habitan o se aloja en el interior de la bacteria. - H2 O La energía luminosa 390 nm y 770 nm materia partícula La energía de un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda. Las longitudes de onda largas tienen menos energía (fotones) que las de longitudes de onda cortas. Un pigmento que absorbe la luz, absorbe unelectrón de esa molécula y el electrón se desplaza de su posición inicial respecto al núcleo a una distancia diferente que proporciona la energía del fotón que absorbió, toma un estado de exitación. Para que se realice la fotosíntesis es necesario que la energía de los electrones excitados de varios pigmentos se transfiera a un pigmento antena (colector de energía) a un centro de reacción. En la fotosíntesis hay dos centros de reacción el del fotsistema I y el del fotosistema II. Pigmentos Los pigmentos son sustancias que absorben luz, transmitiendo o reflejando las longitudes de onda que no absorben. Cuando un pigmento absorbe un fotón o cuanto de luz, un electrón de la molécula de pigmento es lanzado a un nivel energético más alto; se dice entonces que está excitado. Este estado de excitación puede mantenerse sólo por períodos muy cortos de tiempo. Cuando la mol esta en esas condiciones puede tomar 3 rutas Que la energía se disipa como calor Periodo de exitación - Que la energía se emite inmediatamente como una de longitud de onda más larga, fenómeno conocido como fluorescencia. - Que la energía puede dar lugar a una reacción química como en la fotosíntesis. Clorofila • • • • • La clorofila son compuestos de tipo etrapirrol, constan de cuatro anillos de pirrol unidos por medio de puentes de metilo (--CH=) lo que constituye una porfirina. En el centro se halla un átomo metálico que es el magnesio. Se encuentra junto con todos los pigmentos en la membrana tilacoidal Absorbe la luz en el espectro violeta, azul y rojo. Puesto que transmite y refleja la luz verde, su aspecto es verde. Es pigmento que hace que las hojas sean verdes, En los eucariotas fotosintéticos, la clorofila es el pigmento implicado directamente en la transformación de la energía de la luz en energía química. Existen varios tipos de corofilas, las principaes: la clorofila a (principal encargada del proceso de fotosíntesis) y la clorofila b (pigmento accesorio) Pigmentos Accesorios Los pigmentos accesorios absorben energía que la clorofila es incapaz de absorber, lo pigmentos accesorios incluyen • • • clorofila b (en algas y protistas las clorofilas c,d y e) absorbe en el azul, en el rojo y anaranjado del espectro (con longitudes de ondas largas y baja energía ). Xantofila (amarilla) Caroteno -> Beta caroteno (anaranjado) Los carotenoides absorben la longitud de onda azul y un poco en el verde Los pigmentos accesorios ayudan a la clorofila a realizar el proceso de absorción de la luz visible Bacterioclorofila • • • • También son conocidas como P870 Pigmentos fotosintéticos que se encuentran bacterias fototrofas anoxigénadas Están relacionadas con las clorofilas. Usan longitudes de onda de luz que no son absorbidas por las plantas. Cada pigmento da el nombre a las bacterias. Bacterioclorofila a, Bacteria púrpura, Bacterioclorofila b Bacteria púrpura Bacterioclorofila c Bacteria verde del azufre Bacterioclorofila d Bacteria verde del azufre Bacterioclorofila e, Bacteria verde del azufre Bacterioclorofila g Heliobacteria. Hojas - - Órgano vegetativo de las plantas vasculares especializadas para la fotosíntesis. Son estructuras laminares o aciculares que contienen sobre todo tejido fotosintetizador, situado siempre al alcance de la luz. En las hojas se produce la mayor parte de la transpiración, La fotosíntesis se produce principalmente en las hojas de las plantas, ya que estas son ricas en cloroplastos, aunque en menor proporción puede producirse en los tallos, Estomas: Están ubicadas en la hojas o en partes verdes de la planta, formadas por células oclusivas, 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. Celulas Vegetales La unidad estructural de la fotosíntesis es el cloroplasto, son organelos de las células eucariotas fotosintéticas (únicamente vegetal) que se encuentran en el citoplasma, su forma es variable, desde esférica o elíptica a mucho más compleja asemejando cintas. forman parte de un conjunto de orgánulos denominados platidios o plastos, la mayoría de sus proteínas son codificadas por el ADN nuclear. • membranas externa: contiene porinas y delimita al cloroplasto • membrana interna: hecha a base de proteínas específicas para el transporte, delimita al cloroplasto • espacio intermembranal separaa la membrana interior y exterior, composición simlar al glisol • estroma son cavidades situada entre la membrana interna y las granas, donde se encuentran ribosomas, enzimas, varias copias de ADN, varios tipos de ARN, gránulos de almidón y gotas de lípidos. En este espacio tiene lugar el Ciclo de Kalvin de la fotosíntesis. • membrana tilacoidal formada por grasos poliinsaturados, se encuentra altamente plegada formando sacos aplanados interconectados llamados tilacoides, que se apilan y la agrupación de éstos se denomina grana. En ella se encuentran los fotosistemas que contienen sustancias como los pigmentos fotosintéticos y la enzimas ATP-sintetaza. Etapas de la fotosíntesis El proceso de fotosíntesis se divide en 2 etapas: Etapa fotodependiete • • • • • Ocurre sólo en presencia de luz Consiste en la transformación de la energía lumínica en energía química (bajo la forma de moléculas de ATP) y en la obtención de un agente reductor de alta energía (la coenzima reducida NADPH) Se produce principalmente en las hojas de las plantas, aunque en menor proporción puede producirse en los tallos, está etapa Se da en los cloroplastos, específicamente en las tilacoides, estos tienen pigmentos que son moléculas capaces de "capturar" ciertas cantidades de energía lumínica y los fotosistemas. Se divide en 2 tipos de fosforilación, la cicla y la aciclica Para hacer más eficiente la absorción se utilizan Fotosistemas Un fotosistema constan de un pigmento principal como la clorofila a o b y diferentes pigmentos accesorios La clorofila y otras molécules están empaquetadas en los tilacoides en unidades llamadas fotosistemas; cada unidad contiene unas 300 moléculas de pigmentos, que sirven como antenas recolectoras de luz. Fotosistemas Son 2 Fotosistema I (PS I 700): Se localiza en las zonas del tilacoides que no se apilan, y su centro activo posee dos clorofilas llamadas P700.- - - Fotosistema II (PS II 680): Se localiza en las zonas donde el tilacoides se apila, y su centro activo posee dos clorofilas llamadas P680. Sus partes son Complejo antena: formado por cientos de moléculas de clorofila y otros pigmentos como los carotenoides, que se unen a proteínas de la membrana, de modo que cada una capta una determinada longitud de onda y va canalizando la radiación hacia el centro reactivo. Centro reactivo o centro de reacción fotoquímica: Está situado en una proteína de transmembrana y tiene dos moléculas especiales de clorofila que captan los fotones y se oxidan. Fosforilación aciclica • En esta reacción, participan los dos fotosistemas Comienza cuando las antenas del pigmento P680 atrapan energía luminosa, haciendo que los fotones inciden sobre el fotosistema II, excitando y liberando un par electrones del pigmento P680 que pasan al primer aceptor de electrones (feofitina) después pasa a la molécula llamada platoquinona, que gracias a el ciclo de oxido-reducción se irán agregando protones a la membrana tilacoidal, una vez que los protones atravesaron la membrana la plastoquinona cede al citocromo b6f que servirá de pasó de electrones hacía la plastocianina que es el donador primario hacía el Fotosistema I. Todo estos aceptores son conocido como cadena transportadora de electrones . Simultáneamente, en el fotosistema II se produce la ruptura de una molécula de agua, proceso, llamado fotooxidación del agua o fotolisis, el cual libera electrones, que son capturados por el fotosistema II(la molécula de agua se divide en 2H+ + 2e- + 1/2O2) estos iones O-2 se combinan para formar O2 que se libera a la atmósfera a través de los estomas. • . La energía lumínica actúa sobre el pigmento P700 del Fotosistema I, haciendo que un electrón se existe, pasando a el aceptor A0 y este a su vez seda a la molécula ferredoxina donde transporta a la coenzima NADP. La reducción de la coenzima se da cuando se liberan protones de la molécula de agua combinando el NADP+ con un H+ para formar NADPH. Durante esta etapa se realiza la síntesis de de ATP, la enzima ATP sintetasa libera el gradiente electroquímico que se produce dentro del tilacoide y utiliza la energía de este gradiente para adicionar un grupo fosfato al ADP produciendo ATP , pero está ATP es insuficiente, por lo tanto en la fosforilación ciclica se busca compensar esta falta de ATP. Fosforilación ciclica • • • • En esta etapa se busca compensar la baja producción de ATP de la fosforilación aciclicaesto La fase luminosa cíclica, es la más sencilla ya que solo interviene el fotosistema I Se genera un mecanismo cíclico, ya que los electrones excitados de la molécula P700 del Centro de Reacción vuelven a su origen Está fase se da al mismo tiempo que la fase aciclica. Los fotones inciden sobre el fotosistema I, esto hace que la clorofila P700 libere electrones que son transportados por la enzima ATP sintetasa, a través de una canal ubicado en el interior de la membrana tilacoidal a la ferredoxina (aceptor) la cual cede a un citocromo b6 (aceptor) y éste a la plastoquinona (aceptor), que capta dos protones y pasa a una plastoquinona reducida (PQH2) la cual cede los dos electrones al citocromo f e introduce de nuevo al sistema. Etapa independiente de la luz o Biosintetica • • • • • • La Fase Biosintetica o Ciclo de Calvin busca reducir el carbono y sintetizar glúcidos sencillos. Las moléculas NADPH y los ATP (obtenidas de la fase anteior) son básicas para el proceso Se da independientemente de si hay luz o no. Esta etapa comienza con la obtención de carbono por medio del CO2 que toman de la atmosfera o de la hidrosfera, este CO2 es absorbido por medio de las células especializadas, las estomas (hojas y tallos verdes) La fuente de nitrógeno son los nitratos y nitritos, y como fuente de azufre, los sulfatos. Se produce mediante un proceso de carácter cíclico en el que se pueden distinguir varios pasos o fases. . - El dióxido de carbono se une a la RuDP, donde se rompe un núcleo atómico, mediante el bombardeo de neutrones, para liberar energía inmediatamente en moléculas de ácido fosfoglicérico (PGAc). Esta reacción está catalizada por una enzima específica, la RuDP carboxilasa oxigenasa (RuBisCO). CO2 + RuDP ---> 2 PGAc - El ácido fosfoglicérico (PGAc) debe reducirse, pero para ello el PGAc debe previamente activarse, lo que consigue añadiendo otro grupo fosfato a su molécula mediante una fosforilación que requiere el empleo de ATP (procedente de la fase luminosa) y en la que se obtiene ácido difosfoglicérico (DPGAc): 2 PGAc + 2 ATP ---> 2 DPGAC + 2 ADP - Una vez activado, el ácido está en condiciones de reducirse a aldehído, en este caso a fosfogliceraldehido (PGAl). En esta reducción, se consume NADPH (procedente de la etapa luminosa), y se pierde el fosfato adicional 2 DPGAc + 2 NADPH ---> 2 PGAl + 2 NADP+ + 2 Pi - El PGAl es ya un glúcido sencillo. Está moléculas puede convertirse su isómero, el fosfato de dihidroxiacetona (PDHA), . Las triosas-fosfato que se forman después de la reducción y no se emplean en la regeneración de la RuDP (PGAl y PDHA), se exportan al citosol, mediante un transportador de la membrana de cloroplasto que los intercambia con Pi, el cual se emplea en el cloroplasto, principalmente para la obtención de ATP en las reacciones lumínicas de los tilacoides. Las triosas-fosfato en el citosol dan lugar a la síntesis de sacarosa, a través de una serie de reacciones en las que se forman fosfatos de fructosa y de glucosa, y UDP-glucosa; el proceso culmina al unirse la fructosa-fosfato y la UDPglucosa para dar sacarosa-fosfato, cuya hidrólisis da Pi y sacarosa. 6 RuDP + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP -> 6 RuDP + Glucosa + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + H2O C3 • Compuesto de tres Carbonos (gliceraldehído fosfato) • Fijación del Carbono por medio del Ciclo de Calvin • Con la enzima RuBP carboxilasa que combina una molécula de dióxido de carbono con la ribulosa difosfato C4 • La enzima PEPC une primero el dióxido de carbono al PEP para formar un compuesto de cuatro carbonos (ácido málico u ácido aspartico). • Luego de una serie de reacciones químicas el ácido es transportado a espacios internos dentro de la hoja y finalmente se libera CO2 que ingresa en el ciclo de Calvin. • La unión del dióxido de carbono al PEP es catalizada por • la enzima PEP carboxilasa. PLANTAS CAM . (Crassulacean Acidic Metabolism plants) Es característico de ésta ruta formar ácidos orgánicos, en especial ácido málico, durante el periodo oscuro, en las hojas o en las demás partes verdes del vástago de algunas especies vegetales suculentas o semi-suculentas como Bryophyllum, Kalanchoe, Sedum, Kleinia, Crassula, Opuntia. La variación diurna del contenido de ácidos fue descubierta en representantes de las crasuláceas de ahí su nombre. La carboxilación reductiva en la que se basa esta definida por la alta disponibilidad de CO2 en la oscuridad. Durante el día, en la luz, ocurre un desdoblamiento rápido en el que se libera CO2 el cual entrara directamente al proceso fotosintético. • Nopal Pertenece al grupo de las plantas CAM, sus estomas son abiertas en la noche para evitar transpirar tanto, como pasaría en el días por la gran cantidad de calor que hay. Esta planta convierte el oxido de carbono que captura en acido málico, despuès con los estomas cerrados convierte este ácido málico en azúcares. . • Maíz El maíz pertenece a las plantas C4, por lo tanto habré sus estomas en el día para absorver el dioxido de carbono de la atmosfera, para que pueda llevar a cabo sus prosesos fotosínteticos. Molécula de H2O - Los organismos fotosintéticos necesitan del agua disponible en su medio para poder realizar su metabolismo. - La función de la molécula de agua es suministra electrones para las reacciones redox, es decir el agua interviene como fuente de electrones. - El agua se rompe por efecto de la luz, dando lugar a oxígeno y a hidrógenos, el oxigeno es liberado, mientras que en la fase oscura el hidrogeno se suma al dióxido de carbono gaseoso (CO2) presente en el aire, dando como resultado la producción de compuestos orgánicos, principalmente carbohidratos. - La molécula de agua es un agente reductor muy débil, sus electrones deben ser energetizados por los fotones de la luz solar. - La energetización de los electrones del agua se realiza gracias a la clorofila. - También constituye el medio necesario para que se puedan disolver los elementos químicos del suelo que la plantas deben utilizar para construir sus tejidos. Carbono - El carbono (CO2) constituye el material que las plantas utilizan para sintetizar hidratos de carbono. - Penetra en las hojas a través de los estomas, es procesado durante la etapa independiente de luz, este carbono se encuentra en la atmosfera y en los océanos ,también, puede proceder del bicarbonato disuelto en el agua del suelo que la plantas absorben mediante sus raíces. aunque, en una proporción muy pequeña - La fotosíntesis constituye uno de los procesos biológicos que integra el ciclo del carbono, en el que también se integra el bioquímico, que controla las transferencias de CO2 entre la biosfera y otros subsistemas. - El CO2 es el gas que está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, se consumen en el proceso de la fotosíntesis Oxígeno • Durante la etapa ciclica luminica en el fotosistema II se produce un proceso llamado fotolisis • la ruptura de una molécula de agua, debido a la acción directa de la luz solar, libera electrones, (la molécula de agua se divide en 2H+ + 2e- + 1/2O2) •El pigmento P680 fotoionizado hace que la molécula de H20 se rompa libernado O2 que es liberado hacia la atmósfera Productos y reactivos de la fotosíntesis • Fotosíntesis oxigénica • :6 CO2 + 6 H2O + 686 kcal/mol --> C6H12O6 + 6 O2 Los reactivos son: - energía de la luz del sol (activa los fotosistemas) - dióxido de carbono (sustrato a reducir) agua (dador de electrones que se oxida) Además de otros productos iniciales como las sales minerales - Los productos son: O2 (que se libera a la atmosfera)- Glucosa (C6H12O6) Además de Sacarosas, Almidónes, Celulosas - ATP (producto de un ADP + P) - NADPH (producto de un NDPH + H+) - - En el caso de la fotosíntesis anoxigénica l2H2S + CO2 ----> [CH2O] + H2O + 2 Los reactivos son: CO2 (sustrato a reducir) energía de la luz del sol sulfuro de hidrógeno (dador de electrones que se oxida) Los productos son: glúcidos Azufre agua ATP Factores que influyen en la fotosíntesis • Los organismos autótrofos fotosintéticos cuentan varios estructuras que tras una serie de pasos logran realizar la fotosíntesis pero además de este conjunto de herramientas, el proceso es afectado por varios factores tanto ambientales como internos. Factores ambientales • Concentración de dióxido de carbono(CO2): La actividad fotosintética crece al aumentar la cantidad de CO2, hasta llegar a un límite a partir del cual el rendimiento se estabiliza. • Concentración de oxígeno: La presencia de oxígeno disminuye la cantidad de una enzima imprescindible para fijar el CO2 (Rebisco) • Tiempo de iluminación: También conocido como fotoperiodo; la luz, su duración y periodicidad, tiene una gran influencia sobre la germinación y la duración del crecimiento vegetativo. • Intensidad luminosa: Sólo la radiación cuya longitud de onda oscila entre 400 y 700 nm tiene el nivel de energía para estimular a la clorofila • Temperatura: Las reacciones enzimáticas son dependientes de la temperatura. • Humedad: provoca el cierre de los estomas lo que reduce significativamente la entrada de CO2, y aumenta la temperatura interna . • Minerales: La planta depende directamente de los nutrientes que contenga el suelo donde se encuentra y del PH. • El ser humano: El transporte, la industria, la deforestación, la agricultura y otras actividades humanas, están provocando un aumento de la concentración atmosférica de CO2, lo cual podría conducir, a cambios regionales o globales Factores extra: Existen otros factores que intervienen en el proceso de la fotosíntesis para perjudicarla o beneficiarla. Los organismos parasitarios son un ejemplo de organismos que afectan la fotosíntesis. La simbiosis es beneficiosa para los fotoautotrofos Factores. Internos • La cantidad de células fotosintetizadotas: Cuando una planta tiene mas hojas o tejido superficial verde, el número de cromoplastos que posea y la naturaleza de estos (clorofila y pigmentos accesorios) dictara la eficiencia de la captura de energía necesaria para la fotosíntesis. • Estructura de la hoja: El grosor de la cutícula, la epidermis, el número de estomas y los espacios entre las células del mesófilo influyen directamente en la difusión del CO2 y O2 y también en la pérdida de agua. La fotosíntesis en otoño • En el otoño, los días son más cortos y por lo tanto la energía lumínica (luz) se hace menos intensa, gracias a estos cambios en el ambiente, los árboles comienzan a prepararse para el invierno, estación en la que no hay la suficiente luz o agua como para hacer la fotosíntesis. Árboles caducifolios En otoño, las células de la capa de escisión empiezan a crecer y forman un material parecido al corcho, reduciendo y finalmente cortando el flujo entre la hoja y el árbol. La glucosa y los productos de deshecho quedan atrapados en la hoja, y sin agua fresca, la clorofila empieza a desaparecer. A medida que se forma el tapón, las células de la capa de escisión empiezan a desintegrarse, hasta que sólo quedan unos hilitos que sostienen la hoja. Un golpe de viento o el simple efecto de la gravedad se encargarán del resto.Los árboles descansarán y vivirán con el alimento que almacenaron durante el verano. La clorofila de las hojas desaparece y comienza a notarse otros pigmentos como: Los colores rojos y lilas provienen de las antocianinas Los marrones provienen del tanino <-- Los amarillos y los naranjas xantofilas . Los árboles perennifolios En los árboles de follaje persistente solo mueren una parte de las hojas cada año y otras, las más jóvenes, permanecen en la planta y se unen a las nuevas que brotan cada primavera, de manera que el periodo vital de cada hoja puede durar varios años. Sus hojas son especiales, resistentes al frío y a la pérdida de humedad. Algunos árboles como los pinos y los abetos, tienen hojas como agujas. Otros, como la encina, las tienen anchas y recubiertas de ceras; los días más fríos y secos estas hojas se encorvan para reducir la superficie expuesta. Los árboles perennifolios continúan realizando la fotosíntesis durante el invierno, pero las reacciones son más lentas debido a las bajas temperaturas. Importancia del proceso Todos los organismos heterótrofos dependen de las conversiones que se da en la fotosíntesis y de la materia para su subsistencia. Son la base de la cadena trófica Reciclan la materia orgánica, desde que es producida por los autotrofos, hasta que es utilizada por los consumidores y los descomponedores, en el Ciclo de la materia y el Flujo de la energía. Gracias a la fotosíntesis se obtiene el O2 (oxígeno), gas fundamental para que los heterotrofos consuman mataria organica y la transformen en energía. La fotosíntesis ha hecho posible que aparezca la respiración celular que tienen la gran mayoría de los organismos mediante la cual obtienen el máximo de energía de los nutrientes. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural, todo esto gracias al ciclo del carbono.
