FOTOSÍNTESIS. I. INTRODUCCIÓN: La Fotosíntesis, Fotosíntesis, es u n proceso en el que los organismos con clorofila, como las plantas las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan bacterias, capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química. Prácticamente química. Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biosfera terrestre (la zona del planeta en la cual hay vida) procede de la fotosíntesis. fotosíntesis. Este proceso permite que organismos como los vegetales desarrollen infinidad de moléculas orgánicas a partir de compuestos inorgánicos, de allí que todos los demás organismos no autótrofos obtienen las biomoléculas necesarias necesarias para la vida. El proceso de fotosíntesis es vital para el crecimiento y desarrollo de una planta, por tanto es importante comprender las rutas que siguen todos los compuestos que ingresan al vegetal; como así los factores que favorecen o afectan a la fotosíntesis, de esa forma podemos comprender mejor las condiciones necesarias para una producción vegetal óptima, que es a lo que todo profesional quiere llegar. La fotosíntesis se realiza en dos etapas: una serie de reacciones que dependen de la luz y son independientes de la temperatura, temperatura, y otra serie que dependen de la temperatura y son independientes de la luz. La La velocidad de la primera etapa, llamada reacción lumínica, aumenta con la intensidad luminosa (dentro de ciertos límites) ciertos límites),, pero no con la temperatura. En la segunda etapa, llamada reacción en la oscuridad, la velocidad aumenta con la temperatura (dentro de ciertos límites), pero no con la intensidad luminosa. II. OBJETIVOS:
Extraer y separar de las hojas los pigmentos involucrados en la fotosíntesis: clorofila a, clorofila b, caroteno y xantofila. Determinar algunas de sus propiedades como: color, fluorescencia y espectro de absorción. Observar cualitativamente los efectos de la ausencia o presencia de la luz sobre el proceso de la fotosíntesis. Distinguir la distribución de los tejidos y estructuras en cortes de hojas de plantas C3,C4 y CAM.
III. FUNDAMENTO TEÓRICO: La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas, cianobacterias y bacterias fotosintéticas convierten la energía luminosa en energía química y es la base de todas las cadenas alimenticias de los animales y humanos. Para que la energía lumínica pueda ser utilizada, primero debe ser absorbida y quienes realizan esta función son los pigmentos fotosintéticos.
En las plantas, la clorofila a es el pigmento involucrado directamente en la transformación de la energía lumínica en energía química, las células fotosintéticas casi siempre contienen un segundo tipo de clorofila, la clorofila b y otro grupo de pigmentos llamados carotenoides. Uno de los carotenoides que se encuentran en las plantas es el ß-caroteno; los carotenoides son pigmentos rojos, anaranjados o amarillos, que en las hojas verdes están enmascarados por las clorofilas, que son más abundantes; sin embargo en algunos tejidos, como los del tomate maduro, predominan los colores reflejados por los carotenoides. Las otras clorofilas y los carotenoides pueden absorber luz de longitudes de onda diferentes de las que absorbe la clorofila a. Estos pigmentos actúan como pantallas que transfieren la energía a la clorofila a, extendiendo así la gama de luz disponible para la fotosíntesis. Los carotenoides son colorantes amarillos y rojos, el sistema de dobles enlaces conjugados está formado exclusivamente por átomos de carbono, en general consisten de una cadena larga de hidrocarburo, por esto son compuestos insolubles en agua, pero sí en solventes grasos. Se dividen en Carotenos que son hidrocarburos insaturados y en Xantofilas que son derivados oxigenados de los anteriores. Los pigmentos accesorios actúan como antena, conduciendo la energía que absorben hacia el centro de reacción. Una molécula de clorofila en el centro de reacción puede transferir su excitación como energía útil en reacciones de biosíntesis.
IV. PROCEDIMIENTO: Experimento 1: EXTRACCIÓN DE PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Solventes orgánicos Extracto de acetona M: Metanol EP: Éter de petróleo EE: Éter etílico Extracto acetónico que contiene los pigmentos fotosintéticos. a
Agua
EP (clorofila a y b, caroteno y xantofila)
5 ml. Acetona 5 ml. EP En un tubo de ensayo agregar 5 ml. de éter de petróleo, 5ml. de extracto de acetona y agua. Agitar fuertemente por unos segundos.
Acetona Separar las dos capas y eliminar la capa de acetona
Tubo A
Agua EP (clorofila a y caroteno)
Agregar 5 ml. deMetanol EP (clorofila a y b, caroteno y xantofila)
M (clorofila b y xantofila)
EP (clorofila a y caroteno) Tubo B
Agua
Agregar 5 ml. de Éter etílico
EE (clorofila b y xantofila)
M (clorofila b y xantofila) Se separa el éter etílico
Tubo B
EE (clorofila b y xantofila)
Tubo A
EP (clorofila a y caroteno)
Agregar a cada tubo 5 ml. de metanol KOH 30 %
V. RESULTADOS:
EE (xantofila)
EP (caroteno)
Clorofila b y Metanol
Clorofila a y Metanol
Tubo B Tubo A
FLUORESCENCIA: Luego de separar los pigmentos, se lleva a una cámara con luz ultravioleta.
Se observar claramente como la clorofila a y la clorofila b, se torna color rojo; mientras que la xantofila y el caroteno no varían de color.
Experimento 2: IMPORTANCIA DE LA LUZ PARA LA FOTOSÍNTESIS
Cubrir completamente una hoja con un recorte de cartulina negra, de tal manera que no ingrese nada de luz ni por el haz, ni por el envés.
En otras dos hojas cubrir con la cartulina el haz de las hojas, pero con una ligera modificación, recortar la figura de un triángulo en una y un cuadrado en la otra. Esto permitirá que la luz penetre solamente a través del corte.
Elegir dos hojas más: Cubrir una de ellas solo por el haz y el otro solo por el envés.
Estas hojas cubiertas con las cartulinas, serán mantenidas en la misma planta, por lo menos tres días.
Cortar las muestras de las hojas cubiertas y una que no haya sido cubierta, para realizar la práctica en el laboratorio.
PROCEDIMIENTO:
A continuación saque las de hojas y colóquelas en otro vaso de precipitación. Sumerja las hojas en agua hirviendo durante un par de minutos, para ablandar el tejido.
Lavar con agua de caño y observar que aparezcan zonas negruzcas.
Hervir en etanol 96 % para extraer los pigmentos.
Una vez decoloradas, cubrir las hojas con una solución diluida de lugol durante un par de minutos.
Experimento 3: ANATOMIA FOLIAR EN PLANTAS C3, C4 Y CAM
Muestras de cortes transversales de hojas de plantas C3, C4 y CAM.
Observar las muestras en el microscopio. RESULTADOS:
Epidermis Parénquima clorofiliano esponjoso. Parénquima clorofiliano en empalizada.
Foto del corte transversal de la hoja pájaro bobo (planta C3)
Parénquima clorofiliano del mesófilo.
Estructura de kranz
Epidermis Foto del corte transversal de la hoja de maíz (planta C4)
Parénquima clorofiliano con vacuolas grandes.
Foto del corte transversal de la hoja de Crassula(planta CAM)
VI. DISCUCIONES: Los pigmentos de algas verdes y plantas superiores son compuestos solubles en solventes no polares y se localizan formando complejos pigmento-proteína, en la fase lipídica de las membranas tilacoidales de los cloroplastos. Por esta razón los pigmentos no pueden ser extraídos del tejido foliar con soluciones buffer acuosas pero es relativamente fácil extraerlos con un solvente orgánico. (REDES, 2006) Es por eso que utilizamos la técnica mencionada en la guía, con diferentes compuestos orgánicos de solubilidad y afinidad química diferentes como éteres y alcoholes, para separar la clorofila a y caroteno en un mismo tubo (tubo A) y la clorofila b con la xantofila (tubo B). La energía de la luz en longitudes de onda de 400 a 700 nm es absorbida por la clorofila y puede seguir tres caminos: i) ser usada para dirigir la fotosíntesis (procesos fotoquímicos), ii) disipada como calor o iii) reemitida en pequeñas pero detectables cantidades de radiación de longitud de onda más larga (rojo/rojo lejano) (procesos no fotoquímicos), esta emisión de luz es llamada
fluorescencia de la clorofila a. Los tres procesos se dan en competencia, así que incrementos en la eficiencia de alguno puede inducir decrecimiento en los otros dos. De esta manera midiendo el rendimiento de la fluorescencia de la clorofila a se proporciona información sobre cambios en la eficiencia de la fotoquímica y la disipación de calor (Maxwell y Johnson 2000). La fluorescencia de la clorofila a (se torna a color rojo) es una herramienta muy útil en la evaluación de la calidad fisiológica de plantas tanto en invernadero como en campo. Esto permite abarcar mediciones de muchas plantas, permite seleccionar genotipos, evaluar la variabilidad genética y la respuesta de las plantas a varios estreses ambientales y bióticos. VII. CONCLUSIONES:
Se extrajo y separó de las hojas los pigmentos involucrados en la fotosíntesis, clorofila a, clorofila b, caroteno y xantofila. Los pigmentos clorofílicos (las clorofilas y los carotenoides) son solubles (afinidad química) en solventes orgánicos como por ejemplo alcohol etílico y acetona. La clorofila a y los carotenos se disolvieron preferentemente en la fase del éter de petróleo, mientras que la clorofila b y la xantofila se disolverán en la fase del alcohol metílico (metanol). La clorofila absorbe luz ultravioleta y emite luz por fluorescencia de color rojo (justamente la zona menos energética del visible), por lo tanto se determinó su propiedad de fluorescencia.
VIII. BIBLIOGRAFÍA: Manual de Prácticas de Fotosíntesis - Redes Garcia , Rosa y Collazo Ortega, Margarita .UNAM. Maxwell, K.; Johnson, GN (2000). "Chlorophyllfluorescence--a practical guide". Journal of Experimental Botany 51 (345): 659 –668
CUESTIONARIO 1: 1. ¿Qué diferencia existe entre espectro de absorción y espectro de acción de la fotosíntesis? Espectro de absorción: Son las longitudes de onda que entran a la planta (todas menos verde) Espectro de acción: son las longitudes de onda con las que se hace la fotosíntesis (roja y azul) 2. Dibuje el espectro de absorción de las clorofilas a y b, caroteno y xantofila.
3. En qué consistió el experimento de Julis Sachs. Esquematizar en un gráfico sencillo y claro.
4. ¿Qué diferencia existe entre fluorescencia y fosforescencia? La Fluorescencia es el fenómeno en el cual ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber energía y almacenarla, para emitirla después en forma de luz. El mecanismo físico que rige este comportamiento es el mismo que para la fluorescencia, no obstante la principal diferencia con ésta es que hay un retraso temporal entre la absorción y la reemisión de los fotones de energía. En la fosforescencia, las sustancias continúan emitiendo luz durante un tiempo mucho más prolongado, aún después del corte del estímulo que la provoca, ya que la energía absorbida se libera lenta (incluso muchas horas después) y continuamente. 5. Represente los resultados del experimento de la importancia de la luz en la fotosíntesis en esquemas y coméntelos.
HOJA CONTROL
HOJA CUBIERTA TOTALMENTE
La hoja control se observa con manchas negruzcas en comparación a la hoja totalmente cubierta, esto es debido a que se destaca la presencia de almidón en la hoja,ya que la tinción con lugol nos permite revelar las zonas donde se ha producido fotosíntesis.
HOJA CUBIERTA POR EL HAZ
HOJA CUBIERTA POR EL ENVÉS
La hoja que fue cubierta por el haz se nota ligeramente más claro que la hoja que fue cubierta por el envés; pero en ambos casos se observa manchas negruzcas.
HOJA CON UNA FIGURA DE TRIÁNGULO POR DONDE INGRESABA LA LUZ
HOJA CON UNA FIGURA DE CUADRADO POR DONDE INGRESABA LA LUZ
El lugol ha teñido el área que no ha sido privada de luz solar, por lo tanto sólo ahí hay almidón producido por fotosíntesis, en el resto de la hoja no ha habido función fotosintética. Por lo que podemos asegurar que el factor condicionante ha sido la luz solar.
CUESTIONARIO 2: 1. Grafique los cortes anatómicos de las hojas observadas de las plantas C3, C4, y CAM Pajaro bobo -C3
Crassula -CAM
Maiz –C4
2. ¿Cuáles son las diferencias morfológicas y fisiológicas entre las células del mesófilo y las células envolventes del haz conductor en plantas C4?
Diferencias morfológicas Células del mesófilo
-
-
Células envolventes de haz conductor
-
Presentan cloroplastos normales con abundantes granas, conteniendo de esta manera los fotosistemas I y II Carecen de RuBisCO Células en empalizadas
-
No presentan tilacoides gránales, solo presentan el fotosistema I Se encuentra la ribulosa fosfato carboxilsa Existe muy poco oxígeno Células cilíndricas
Diferencias fisiológicas
-
Células del mesófilo Fijación del CO₂ por la enzima PEP en forma
de una acido de cuatro carbonos OAA, Malato y Aspartato (CARBOXILACION) - Baja concentración de CO₂ - Se regenera el aceptor inicial del CO ₂, PEP - No realizan ciclo de Calvin
Células envolventes de haz conductor
- DESCARBOXILACION del ácido de
cuatro carbonos - Alta concentración de CO₂ - El CO₂ liberado es fijado por la RuBisCO - Ciclo de Calvin y formación de azucares
En las plantas C4 a diferencia de las plantas C3 (las C3 presentan un único tejido fotosintético con dos morfologías distintas) presentan una anatomía en las hojas que consiste en dos tejidos con diferente morfología y diferente fisiología. Vemos de esta manera que las existen las células que rodean al haz conductor (células de la vaina) y por otro lado las células del mesófilo que rodean a la vaina. En las plantas C4 la fotosíntesis se basa en la cooperación de los dos tejidos para bombearCO2 a la rubisco, la cual se encuentra en las células de la vaina mientras que la PEPC se encuentra en las células del mesófilo. Diferencias Morfológicas Células del mesófilo: Se han asociado alrededor de los haces vasculares formando una vaina espesa que se conoce como estructura de kranz. Presentan cloroplastos normales con abundantes granas, conteniendo de esta manera los fotosistemas I y II Células envolventes del haz conductor: No presentan tilacoides granales, solo presentan el fotosistema I. Se encuentra la ribulosa fosfato carboxilsa. Existe muy poco oxígeno.
Diferencias fisiológicas Células del mesófilo: Al contener los fotosistemas I y II estas pueden generar ATP y NAPH Asimilan el CO2 el cual se transforma por hidratación a HCO3 que se fija al Fosfoenolpirvatocarboxilasa para dar oxalacetato.Recibe los ácidos C3 (piruvato o alanina) que provienen de las células del haz conductor, regenerando el aceptor inicial, fosfoenolpiruvato. (durante la fotosíntesis). Células envolventes del haz conductor:
Aquí ocurre la descarboxilación de los ácidos C-4(málico o aspártico provenientes del mesófilo) y generación de CO2 que van al ciclo de Calvin.La acción de la oxigenasa es prácticamente nula; pues la mayor parte de la rubisco se encuentra aquí, anulando casi por completo la fotorrespiración
3. Esquematice las rutas metabólicas de los ciclos de Calvin y Korstchack y Hatch y Slack en plantas C3, C4 y CAM. Es necesario mencionar que las plantas C3 viven en ambientes templados, quizá por ello sean el tipo de organismo que mejor conocemos, pero hay otras que viven en ambientes secos y cálidos tienen mecanismos que les permiten fijar inicialmente el CO2 por una de dos vías, y así logran minimizar la pérdida de agua. Estas vías se conocen como la vía de cuatro carbonos, o C4 y la vía de las plantas CAM. En las llamadas plantas C4, la enzima Fosfoenolpiruvatocarboxilasa une primero el dióxido de carbono al Fosfoenolpiruvato para formar un compuesto de cuatro carbonos, el Oxalacetato. Aunque las plantas C4 gastan más energía para fijar Carbono, en ciertas condiciones su eficiencia fotosintética neta puede ser superior a la de las plantas C3 descritas anteriormente debido aciertas características clave que diferencian a las enzimas Rubisco (presente tanto en las plantasC3 como en las C4) y Fosfoenolpiruvato carboxilasa (presente en lasC4), ya que no realizan la fotorespiración, donde se pierden carbonos en forma de CO2 por la respiración. En las plantas CAM (palabra que alude al metabolismo ácido de las crasuláceas) aasimilación del CO2 tiene lugar de noche, cuando a pesar de estar abiertos los estomas, la pérdidade agua debida a la transpiración es mínima. En definitiva los distintas formas dela asimilación deCO2, es
resultado como un mecanismo de adaptación evolutiva al ambiente en que se encuentrala plantas, para hacer frente a las necesidades presentadas por estas. Plantas C3, Ciclo de Calvin
Plantas C4: ciclo de Calvin ruta Hatch y Slack
Plantas CAM:
4. Haga un cuadro de comparación entre plantas C3, C4 y CAM indicando las diferencias resaltantes entre ellas. DIFERENCIAS ENTRE LAS PLANTAS C3, C4 Y CAM C3
C4
CAM
Especies más conocidas.
Papa, chirimoya, pájaro bobo, trigo, cebada, frijol, arroz, tomate.
Maíz, caña de azúcar, sorgo, mijo perla.
Piña, opuntia, crasula, nopal.
Tipo de hábitat
De amplia distribución en el mundo.
En sitios cálidos y praderas.
Sitios seridos y epifiticos.
Primer producto que establece la fijación de CO2.
PGA
Malato
Malato
Abertura de los estomas.
Abiertos durante el día
Abiertos durante el día.
Abiertos durante la noche y cerrados en el día.
Anatomía.
Vaina del haz vascular no presente o sin cloroplasto.
Vaina del haz vascular con cloroplasto (kranz).
Soculencia celular o de los tejidos.
Fotorespiración.
Hasta el 40% de la fotosíntesis.
No detectable.
No detectable.
CARACTERÍSTICAS
C3
C4
CAM
Fijación de CO2
En el mesófilo de la hoja
1º en el mesófilo 2º en la estructura de Kranz
1º en la noche a través del ciclo C4 2º en el día a través del ciclo C3
Primer producto estable de la fijación del CO2
PGA
Malato
Malato
Presenta los haces conductores inmersos en el parénquima lagunar
Presenta a las estructuras de Kranz inmersas en el parénquima esponjoso
Presenta los haces vasculares inmersos en el parénquima esponjoso, sin espacios aéreos y en cada célula una gran vacuola
Temperatura óptima ( ºC)
15-25
25
Más de 30
Fotorrespiración
Hasta 40% de la fotosíntesis neta
No detectable
No detectable
Tropicales y subtropicales
Desérticas
Anatomía
Región climática
Templada
