Raven Biology 13e Cap 08 Fotosíntesis PDF

Because learning changes everything. ® Cap 08 Fotosíntesis Prof. Eneilis Mulero BIOLOGY Thirteenth Edition Raven, Johnson, Mason, Losos, Duncan © 2023 McGraw Hill, LLC. All rights reserved. Authorized only for instructor use in the classroom. No reproduction or...

Because learning changes everything. ® Cap 08 Fotosíntesis Prof. Eneilis Mulero BIOLOGY Thirteenth Edition Raven, Johnson, Mason, Losos, Duncan © 2023 McGraw Hill, LLC. All rights reserved. Authorized only for instructor use in the classroom. No reproduction or further distribution permitted without the prior written consent of McGraw Hill, LLC.  Objetivos 1. Describir las reacciones principales que ocurren en la fotosíntesis. 2. Conocer las reacciones que forman parte de fotosíntesis. 3. Aprender una breve historia sobre los experimentos que ayudaron a comprender las reacciones de fotosíntesis. 4. Describir cuál es el rol de la luz y los pigmentos en la fotosíntesis. a. Identificar los pigmentos fotosintéticos. b. Entender la relación entre la fotosíntesis y los largos de onda que absorben los pigmentos. MedioImages/PunchStock/Getty Images © McGraw Hill, LLC 2  Repaso: Flujo de energía en la biosfera 1. Fuente de energía principal de los ecosistemas. 2. Que reacciones transforman la energía solar a energía química. 3. Mencione todas las transformaciones de energía (tipos de energía) observadas en el diagrama. 4. Según el primer diagrama, la energía se recicla en el ecosistema? Si/No. Porque? © McGraw Hill, LLC Todos los organismos requieren energía Necesaria para: Mantener organización. Llevar a cabo rxns químicas (metabolismo). Transportar moléculas dentro y entre células. Mantener homeostasis. Reproducirse, crecer y desarollarse. Figure 1.4 © McGraw Hill, LLC  Radiación electromagnética El planeta Tierra está expuesto a constante radiación electromagnética proveniente de objetos en el universo. Rayos X de diferentes frecuencias. Rojos-provenientes de estrellas que explotaron en nuestra vicinidad. Azules y amarillos-fuentes mas distantes de estrellas que explotaron o del centro activo de nuestra galaxia. © McGraw Hill, LLC 5 Radiación solar 1nm = 10-9 m El sol emite fotones con diferentes largos de ondas que varían en energía Section 5.2 Figure 5.2 © McGraw Hill, LLC  Radiación solar Rayos Gamma son absorbidos por nuestra atmósfera antes de llegar al suelo. Rayos X bloqueados por un gran # de átomos en la atmósfera con los cuales interactua. Radiación ultravioleta mayormente bloqueada por la capa de ozono en nuestra atmósfera. Luz visible penetra la atmósfera de manera eficiente y son las que el ojo humano percibe. Raciación infraroja penetra la atmósfera y nervios sensoriales detecta como calor. Micro ondas y radio ondas- utilizadas mayormente en la comunicación. © McGraw Hill, LLC 7 La vida depende de la fotosíntesis Autótrofos usan fotosíntesis para capturar ~ 1-3% la energía cinética del sol (capturan ~ 1-3% de la radiación que llega). Los organismos fotosintéticos son productores y son la base de todos los ecosistemas de la Tierra. Section 5.1 Figure 5.2 © McGraw Hill, LLC ©bo1982/E+/Getty Images RF  Fotosíntesis Fotosíntesis es un proceso donde la energía solar es convertida en energía química en la forma de azúcares. Fórmula química general 6CO2 + 12H2O + Light → C6H12O6 + 6H2O + 6O2 Observe la fórmula. Mencione las moléculas que se usan para construir un carbohidrato simple. © McGraw Hill, LLC 10 Fotosíntesis Fotosíntesis transforma energía y provee una fuente de carbón orgánico. Fijación de carbono: proceso en el cual carbono inorgánico (ej. CO2) se incorpora a una molécula orgánica. Ahora ese carbono está disponible para que el organismo lo use en la construcción de otras moléculas orgánicas. © McGraw Hill, LLC 11 Fotosíntesis Es una serie de reacciones que se pueden dividir en 2 fases: 1. Reacciones dependientes de luz  Energía solar es capturada y convertida a energía química (ATP). 2. Reacciones de fijación de carbono  Energía química producida en la reacción dependiente de luz es utilizada para producer azucar © McGraw Hill, LLC  ¿Qué organismos llevan a cabo fotosíntesis? Similaridades en tipos de pigmentos pero diferencias Fotosíntesis en arreglo y acción de los pigmentos. Anoxigénica No produce O2 Oxigénica Produce O2 Algunas Algas Cianobacterias Plantas Bacterias (protistas) © McGraw Hill, LLC 13 Historia El concepto de que organismos podían manufacturar su propio alimento no fue algo intuitivo. Conllevó observaciones y experimentos durante décadas. Jan Baptista van Helmont (1580 - 1644) Construyó un experimento para estudiar como las plantas se alimentan. Obtenido: https://pdfs.semanticscholar.org/715e/819de1f7e7279eb8959f87ae77fa58ac70c3.pdf Concluyó que el aumento en masa del árbol se debió al agua. Esto fue una conclusión errónea pero ayudó a demostrar que la composición de una planta no se produce solamente a partir del suelo. © McGraw Hill, LLC 14 Joseph Priestly (1733 - 1804) Concluye que la vegetación viva añade “algo” al aire que es vital para los organismos. Fuego de la vela Repite pero Ratón no muere Coloca vela con ratón en quema todo el añadiendo una una jarra cerrada. aire del espacio y planta de menta el ratón muere © McGraw Hill, LLC  Jan Ingenhousz (1730 - 1799) Propuso que las plantas llevan a cabo un proceso que usa la luz solar para romper dióxido de carbono (CO2) entre carbono y oxígeno (O2 gas). Demostró que la luz solar es importante. Colocó tallos y hojas verdes en agua y expuesto a luz. Colocó raices marrones en agua y expuestas a luz. Otros experimentos refinaron las conclusiones y al final del siglo 19 ya se tenia una formula general para fotosíntesis © McGraw Hill, LLC 15  F.F. Blackman (1866 - 1947) Concluye que fotosíntesis es un proceso de muchas etapas y que una porción de esas etapas usa la luz de manera directa. Reacciones de luz vs reacciones no dependientes de luz Enzimas están involucradas en los procesos. Access the text alternative for slide images. Figure 8.3 © McGraw Hill, LLC 16  C.B. van Niel and Robin Hill C. B. van Niel (1897 - 1985) Encontró que las bacterias púrpuras del azufre no liberan O2 sino azufre. Propone fórmula general de fotosíntesis: CO2 + 2H2A + light energy → (CH2O) + H2O + 2A. El O2 en fotosíntesis oxigénica proviene del agua. Robin Hill (1899 to 1991) Demuestra que la energía de la luz se puede capturar y usar en reacciones de reducción. © McGraw Hill, LLC 17  ¿Qué organismos llevan a cabo fotosíntesis? Fotosíntesis Anoxigénica No produce O2 Oxigénica Produce O2 Algunas Algas Cianobacterias Plantas Bacterias (protistas) © McGraw Hill, LLC  En plantas: Estructura de la hoja y cloroplasto Las plantas tienen que tener la estructura para capturar esa energía de la luz y convertirla en energía química. Figure 8.1 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 19  ¿Dónde ocurre fotosíntesis en plantas? Los tilacoides son bicapas de fosfolípidos continuo y organizados en forma Moléculas de pigmento están de sacos aplanados. en las membranas de los tilacoides y capturan energía solar © McGraw Hill, LLC  Membrana de los tilacoides Clorofila Los pigmentos son moléculas que absorben la energía lumínica en el rango visible. Un fotosistema es una estructura proteica grande de clorofila, otros pigmentos y proteinas que atrapan energía en forma de luz al excitar electrones Figure 8.2 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 21  Espectro electromagnético La luz es una forma de energía que actúa como un paquete discreto llamado fotón. El contenido de energía de un fotón es inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz. Figure 8.4 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 22  Pigmentos fotosintéticos absorben espectro de la luz visible. © McGraw Hill, LLC 23  Espectro de absorción Cuando un fotón golpea una molécula, su energía es perdida como el calor y absorbida por los electrones de las moléculas. Esa absorción por parte de los electrones hace que aumenten el nivel energético © McGraw Hill, LLC 24  Photosynthetic Pigment Absorption Figure 8.5 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 25  Organismos han evolucionado una variedad de pigmentos diferentes Clorofila a Pigmento principal en plantas y cianobacteria Unico pigmento que puede actuar directamente en la conversión de luz a energía química. Abosrbe luz violeta-azul y roja. Clorofila b Pigmento acesorio que complementa el espectro de absorción de la clorofila a. © McGraw Hill, LLC 26  Espectro de acción Es la eficacia relativa de diferentes longitudes de onda de luz en promover la fotosíntesis. Tambien corresponde al espectro de absorción de la clorofila. Figure 8.7 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 27  Carotenoides y otros pigmentos accesorios Los carotenoides poseen anillos de carbonos unidos a cadenas con alternancia en enlaces sencillos y dobles. Pueden absorber fotones con una amplia gama de energías y formar una barrera contra los radicales libres (antioxidante). Ficobiliproteinas son importantes en áreas oceánicas con poca luz © McGraw Hill, LLC 28 En climas templados, cambios en tiempo de iluminación día y temperatura provocan el cambio fisiológico © McGraw Hill, LLC 29  Mapa de conceptos © McGraw Hill, LLC 30  8.4. Organización de los fotosistemas Luz es capturada por los fotosistemas. Consisten de 2 componentes: 1. Complejo de antena Cientos de moléculas de pigmentos accesorios. reunen fotones y alimentan el centro de reacción con la energía luminica capturada. 2. Centro de reacción 1 o más clorofilas que pasan electrones excitados fuera del fotosistema. © McGraw Hill, LLC 31  Estructura del fotosistema Complejo de antenas o complejo de recolección de luz. consisten en una red de moléculas de clorofila y otros pigmentos accesorios unidas entre sí y sujetadas Figure 8.10 firmemente a la membrana de los tilacoides por una matriz de proteinas. © McGraw Hill, LLC 32  REPASO Diferentes tipos de pigmentos absorben diferentes largos de ondas de la luz visible © McGraw Hill, LLC 33 Estructura del fotosistema Complejo de antenas o complejo de recolección de luz. Captura fotones de la luz solar y los canaliza al centro de reacción de las clorofilas. La energía de excitación resultado de la absorción del fotón pasa de un pigmento al siguiente hasta llegar a los centros de reacción. Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 34 Centro de reacción es un complejo de proteina transmembrana y pigmento. 1. clorofila en el 2. el electrón centro de reacción se excita a absorbe un fotón un nivel mas de luz alto de energía. 4. una 3. el electrón molécula energizado dona un se transfiere electrón a la al receptor de clorofila electrones primario. Access the text alternative for slide © McGraw Hill, LLC Figure 8.11 35  8.5. Etapas de fotosíntesis Reacciones dependientes de luz Requieren luz. 1. Captura la energía solar 2. Produce ATP y reduce NADP  para producir NADPH Fijación de carbono/reacciones independientes de luz No requieren luz. 3. Usa ATP y NADPH para sintetizar moléculas orgánicas a partir del carbono de CO2 © McGraw Hill, LLC 36 © McGraw Hill, LLC 37 A. Rxns dependientes de luz Ocurren en los tilacoides y requieren agua y luz. Section 5.5 Figure 5.7 © McGraw Hill, LLC Rxns de fijación de carbono producen carbohidratos Estas rxns ocurren en el estroma. Figure 5.8 © McGraw Hill, LLC  Personaje nuevo NADP+ Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato © McGraw Hill, LLC 40  A. Reacciones dependientes de luz Captura de energía de la luz visible 1. Evento del fotón primario Fotón de luz es capturado por una molécula de pigmento 2. Separación de carga la energía se transfiere al centro de reacción; un electrón excitado se transfiere a una molécula aceptadora 3. Transporte de electrones Electrones se mueven a través de los transpotadores para reducir  a NADP En respiración celular tambien ocurre 4. Quimiosmosis quimiosmosis. Define quimiosmosis ¿Cuál es la enzima que participa en quimiosmosis? © McGraw Hill, LLC 41  Fotofosforilación cíclica Bacterias de azufre las cuales usan un solo fotosistema. Generan ATP via el transporte de electrones y quimiosmosis Electrones regresan al centro de reacción chain © McGraw Hill, LLC 42  Cloroplastos de cianobacterias, plantas y algas hay 2 fotosistemas conectados Fotosíntesis oxigénica Fotosistema II (P680) Cyanobacteria photosystem II, Dimer, PDB 2AXT Similar al de bacterias púrpuras de azufre. consiste en un complejo transmembranal central de proteinas con 2 moléculas de clorofila P680 unidas en el centro. Contiene moléculas de clorofila a y pigmentos accesorios. El centro de reacción contiene 4 átomos de manganeso los cuales son esenciales para la oxidación del agua. © McGraw Hill, LLC 43  Cloroplastos de cianobacterias y plantas hay 2 fotosistemas conectados Fotosistema I (P700) consiste de un complejo transmembranal de proteinas y 2 moléculas de clorofila P700. Complejo de antena está compuesto de Crystal Structure of Photosystem I: a clorofila a y pigmentos accesorios. Photosynthetic Reaction Center and Core Antenna System from Cyanobacteria. PDB ID: 1JB0 Fotofosforilación no cíclica. Los fotosistemas son reabastecidos con electrones obtenidos por la división del agua Ambos fotosistemas trabajan en serie para generar ATP y NADPH. Los dos fotosistemas conectados por complejo de citocromo/b6-f. Transfiere electrones entre transportadores y crea el gradiente de concentración de protones. © McGraw Hill, LLC 44  Diagrama Z de fotosistemas I y II Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 45  Diagrama Z de fotosistemas I y II 2 electrones se excitan y se transfieren a plastoquinona(PQ) 2 Clorofilas en el centro de reacción absorben 2 fotones. Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 46  Diagrama Z de fotosistemas I y II Fotosistema II repone electrones con la oxidación de agua Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 47  Diagrama Z de fotosistemas I y II PQ transporta e- hacia el complejo citocromo b6-f ¿Qué recuerdan de los complejos de citocromo??? Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 48  Diagrama Z de fotosistemas I y II Complejo citocromo b6-f transfiere e- hacia plastocianina (PC) Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 49  e- se excitan suben de Diagrama Z de nivel de energía y se fotosistemas I y II transfieren hacia ferredoxina (Fd). 2 clorofilas en el centro de reacción reciben 2 fotones. Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 50  Diagrama Z de fotosistemas I y II Fotosistema I repone e- al reducirse con los e- de PC Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 51  Diagrama Z de Fd transporta e- hacia fotosistemas I y II la enzima reductasa de NADP. se produce NADPH. Access the text alternative for slide images. Figure 8.14 © McGraw Hill, LLC 52  https://www.viddler.com/embed/30c52470/?f=1&autoplay=0&player=arpeggio&secret=30c52470&loop=0&nolo go=0&hd=0 © McGraw Hill, LLC 53  Transporte de electrones en fotosíntesis Figure 8.15 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 54 Quimiosmosis El gradiente electroquímico se usa para sintetizar ATP. Cloroplastos tienen sintasas de ATP en las membranas de los tilacoides Allows protons back into stroma. Estroma tambien tiene enzimas que catalizan las reacciones de fijación de carbono. © McGraw Hill, LLC 55  Producción adicional de ATP Fotofosforilación no cíclica genera: NADPH. ATP. Construir moléculas orgánicas requiere más energía. Fotofosforilación cíclica es utilizada para producir ATP adicional creando un gradiente de protones mayor. © McGraw Hill, LLC 56  8.6. Fijación de carbono Para construir carbohidratos las células usan: Energía = ATP producto de las reacciones dependientes de luz. Fotofosforilación cíclica y no cíclica. Lleva las reacciones endorgónicas. Potencial de reducción = NADPH del fotosistema I. Fuente de protones y electrones que se utilizarán para enlazar los átomos de carbono. © McGraw Hill, LLC 57  Reacciones de fijación de carbono Conocidas como ciclo de Calvin por Melvin Calvin (1911 to 1997) También llamada fotosíntesis C3 Enzima importante: ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa mejor conocida como rubisco Estructura de la RuBisCO de las bacterias, con dos subunidades grandes y dos pequeñas © McGraw Hill, LLC 58 Rxns de fijación de carbono Estas rxns ocurren en el estroma. La glucosa no es el producto de estas reacciones. Ecuación neta: Figure 5.8 © McGraw Hill, LLC  Tres fases en las reacciones de fijación de carbono. 1. Fijación de carbono RuBP + CO2 → 3-PGA RuBP=ribulosa-1,5- bifosfato; PGA=3- fosfoglicerato © McGraw Hill, LLC 60  Tres fases en las reacciones de fijación de carbono. 2. Reducción NADPH y ATP se oxidan. PGA se reduce a gliceraldehido 3- fosfato (G3P). © McGraw Hill, LLC 61  Tres fases en las reacciones de fijación de carbono. 3. Regeneración de RuBP Algunas moléculas de G3P se van para formar glucosa. Otras moléculas de G3P se usan para regenerar RuBP. © McGraw Hill, LLC 62  Tres fases en las reacciones de fijación de carbono. Por cada 3 moléculas de CO2 que entran al ciclo, se producen 6 moléculas de G3P. Solo una molécula de G3P sale del ciclo y se dirije a la síntesis de glucosa. Las otras 5 moléculas de G3P se usan para regenerar RuBP. https://www.viddler.com/embed/8a96610c/?f=1&autoplay=0&amp ;player=arpeggio&secret=8a96610c&loop=0&nologo=0 &hd=0 © McGraw Hill, LLC 63  Output of Calvin Cycle G3P es una azucar de 3 carbonos ¿Cuántos carbonos tiene glucosa? G3P sale hacia el citoplasma y ocurre una serie de reacciones de glucólisis invertida que producen glucosa 1- fosfato y fructosa 6-fosfato. Estos productos son utilizados para formar sacarosa y almidón. Si hay mucha luz, G3P se produce en exceso en el estroma y algunas moléculas se convierten en glucosa 1- fosfato. © McGraw Hill, LLC 64  Ciclo de energía Fotosíntesis usa productos de respiración celular como reactivos Respiración usa productos de fotosíntesis como reactivos © McGraw Hill, LLC 65  8.7. Fotorespiración En fotorespiración se libera CO2 y esto disminuye eficiencia de fotosíntesis. CO2 y O2 compiten por el sitio activo de rubisco Rubisco tiene dos actividades enzimáticas: 1. Carboxilación añadir un CO2 a RuBP. Favorecido bajo condiciones de 25 grados centígrados. © McGraw Hill, LLC 66  Fotorespiración Sin embargo, cuando las condiciones ambientales se ponene calientes, los estomas de las hojas cierran 2. Fotorespiración Oxidación de RuBP al añadir O2. Favorecido cuando el estoma cierra bajo condiciones calientes. Crea bajo CO2 y alto O2. Los estomas cierran para conservar agua. © McGraw Hill, LLC 67  Photorespiration Conditions Algunas plantas tienen adaptaciones Figure 8.21 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 68  Tipos de fotosíntesis C3 Plantas fijan el carbono usando la fotosíntesis C3 (ciclo de Calvin). Casi 85\%85%85, percent de las especies de plantas del planeta son C3 como arroz, trigo, soya y todos los árboles. © McGraw Hill, LLC 69 C4 Las reacciones dependientes de luz y de fijación de carbono estan separadas físicamente. Las reacciones de luz ocurren en las células del mesófilo mientras que el ciclo de Calvin ocurre en las células dfel haz vascular. Se añade el CO2 a la molécula fosfoenolpiruvato (PEP) que forma una molécula de 4 carbonos-oxaloacetato. Esta reacción es mediada por PEP carboxilasa la cual tiene mayor afinidad al CO2. Cuesta mas ATP llevar a cabo C4. Disminuye fotorespiración © McGraw Hill, LLC 70  CAM Separación temporal de las reacciones dependientes de luz y el ciclo de Calvin. En la noche abren sus estomas para que el CO2 se difunda en las hojas. Usa PEP carboxilasa para añadir CO2 a PEP y formar una molécula de 4 carbonos- oxaloacetato-malato o un ácido orgánico. El ácido orgánico se almacena en las vacuolas y al día siguiente entra al ciclo de Calvin. Esta liberación controlada mantiene una alta concentración de CO2 alrededor de rubisco. © McGraw Hill, LLC 71  C3 and C4 Photosynthesis (a) ©Steven P. Lynch; (b) Joseph Nettis/National Audubon Society Collection/Science Source Figure 8.22 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 72  C4 Plant Carbon Fixation Figure 8.23 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 73  CAM Plant Carbon Fixation Jessica solomatenko/Getty Images Figure 8.24 Access the text alternative for slide images. © McGraw Hill, LLC 74  Comparación tipos de fotosíntesis © McGraw Hill, LLC 75  Referencias Adicionales al libro 1. https://pressbooks.online.ucf.edu/astronomybc/chapter/5-2-the-electromagnetic- spectrum/ 2. https://gml.noaa.gov/education/info_activities/pdfs/LA_radiation.pdf 3. https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular- energetics/photosynthesis/a/intro-to-photosynthesis 4. https://www.britannica.com/science/photosynthesis/Energy-efficiency-of- photosynthesis 5. https://www.scientificamerican.com/article/plants-versus-photovoltaics-at-capturing- sunlight/ 6. https://pdfs.semanticscholar.org/715e/819de1f7e7279eb8959f87ae77fa58ac70c3.pdf 7. https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/photorespiration- -c3-c4-cam-plants/a/c3-c4-and-cam-plants- agriculture#:~:text=La%20fotorrespiraci%C3%B3n%20es%20una%20v%C3%ADa,vez %20del%20di%C3%B3xido%20de%20carbono. 8. https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/photorespiration- -c3-c4-cam-plants/v/photorespiration © McGraw Hill, LLC 76 Because learning changes everything. ® www.mheducation.com © 2023 McGraw Hill, LLC. 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