Tema 9: Luz y Pigmentos - Universidad de Málaga - PDF

TEMA-9-LUZ-Y-PIGMENTOS.pdf ciantifico Principios, Instrumentación y Metodología en Fisiología Animal y Fisiología Vegetal 1º Grado en Biología Facultad de Ciencias Universidad de Málaga Reservados todos los derechos....

TEMA-9-LUZ-Y-PIGMENTOS.pdf ciantifico Principios, Instrumentación y Metodología en Fisiología Animal y Fisiología Vegetal 1º Grado en Biología Facultad de Ciencias Universidad de Málaga Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  TEMA 9: LUZ Y PIGMENTOS 1. Naturaleza de la luz y su medida: La dualidad de la luz hace referencia a que presenta naturaleza de onda y de partícula. Esta se propaga como una onda que se puede dividir en dos componentes, componente de campo eléctrico y componente de campo magnético. La longitud de onda es la distancia entre 2 crestas de la onda, se representa como landa y es expresado en nanómetros. La frecuencia es las veces que se observa una cresta por unidad de tiempo, se representa con nu y se expresa en hertzios. c=landa x nu 8 La velocidad de la luz (c) es 3 x 10 m/s. La naturaleza de la partícula es el fotón. E=h x nu =hc/landa A mayor frecuencia mayor energía. A mayor longitud de onda menor energía. Nuestros ojos son solo sensibles a un rango estrecho del espectro electromagnético, conocido como región visible (400 nm - 700 nm). 2. Características de la luz: 2.1 Cantidad: Se conoce como irradiancia. Se mide en umol fotón·m-2·s-1. Nos indica la cantidad de fotones por unidad de tiempo y superficie. Se mide a través del radiómetro, que consta de un sensor plano. 2.2 Dirección: Se mide a través de un sensor esférico que mide la irradiancia en cada dirección del espacio. 2.3 Cualidad: Mide la cantidad de fotones que corresponde a las distintas longitudes de onda. Se mide a través de un espectrorradiómetro. Si medimos la cualidad de la luz en la copa de un árbol y debajo de un árbol observamos lo siguiente: en la copa del árbol observamos como hay una cantidad ascendente de fotones de las longitudes de onda del rango visible, que más tarde se estabiliza y una vez llegamos a las longitudes de onda del infrarrojo el número de 1 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  fotones baja bruscamente, pues el CO2 y el H2O absorben el infrarrojo, finalmente se estabiliza; debajo del árbol el número de fotones de las longitudes de onda del rango visible es muy bajo puesto que la mayor parte de los fotones han sido absorbidos por los pigmentos de las hojas previamente, pero conforme se acerca al infrarrojo comienza a ascender hasta que vuelve a descender Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. bruscamente en el infrarrojo. 3. Pigmentos fotosintéticos: Engelmann demostró la implicación de la clorofila en la fotosíntesis. Para ello colocó en un portaobjetos algas verdes y las sometió a luz refractada (a través de un prisma). Usando unos marcadores biológicos (bacterias) que se desplazarán a las zonas con mayor concentración de O2 podría determinar donde se estaba realizando la fotosíntesis. Así obtuvo el primer espectro de acción de la fotosíntesis. Comparó los espectros de acción de la fotosíntesis y de la clorofila y observó que eran muy parecidos (no totalmente iguales ya que participan más pigmentos). Esta semejanza suponía que la clorofila está implicada en la fotosíntesis. Un espectro de acción es un espectro en el que se observa la eficacia de un proceso a diferentes longitudes de onda. 3.1 Cloroplastos: La mayor parte de la fotosíntesis se da en las células del mesófilo (parénquima en empalizada), por lo que son muy ricas en cloroplastos. Los cloroplastos están formados por una doble membrana y sacos internos formados por el plegamiento de la membrana conocidos como tilacoides que se agrupan formando granas. El espacio dentro del cloroplastos y fuera de los tilacoides se conoce como estroma. El espacio dentro de los tilacoides es el lúmen tilacoidal. 3.2 Principales pigmentos fotosintéticos: - Clorofila a: Presente en todos los organismos que realizan fotosíntesis oxigénica, por lo que es conocido como el pigmento universal. Su estructura consta de un anillo tetrapirrólico que presenta un Mg interno que le aporta estabilidad al pigmento, y una cadena hidrofóbica con muchos dobles enlaces conocida como cadena de fitol. Es el único pigmento capaz de oxidar el agua. 2 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Descarga carpetas completas de una vez con el Plan PRO y PRO+ Principios, Instrumentación... Banco de apuntes de la  Es la más abundante. Pico de absorción en azul y rojo. - Clorofila b: Igual que la clorofila a, pero se cambia un radical (un grupo metilo por un grupo aldehído). Se encuentra en plantas terrestres y algas verdes. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Pico de absorción en azul y rojo. - Bacterioclorofila a: Es propia de bacterias. Muy similar a la clorofila a pero con diferentes radicales. - Carotenos: Formado por una larga cadena (40 C) hidrocarbonada con muchos enlaces dobles y 2 anillos en los extremos. Su principal función es la fotoprotección. Se encuentra en todos los organismos fotosintéticos. Pico de absorción en azul y verde. - Ficobilinas: No se encuentra en todos los organismos fotosintéticos, sino que se encuentra en algas rojas y cianobacterias. Su estructura consta de 4 anillos unidos a una ficobiliproteína. Pico de absorción en verde, naranja y rojo. 3.3 Extracción y cuantificación de pigmentos fotosintéticos: Proceso: 1. Extracción con disolvente apolar. 2. Filtrado del extracto. 3. Medida de la absorbancia del extracto con un espectrofotómetro. 4. Aplicación de ecuaciones para cuantificar los distintos pigmentos: a. Clorofila a: 12’7 x Abs663 - 2’69 x Abs645 b. Clorofila b: 22’9 x Abs 645 - 4’68 x Abs 663 c. Carotenoides: 10 x Abs480 Esta cuantificación se basa en la ley de Lambert-Beer, por la cual: Abs = E x concentración x landa 3 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Descarga carpetas completas de una vez con el Plan PRO y PRO+  4. Fotosíntesis: 4.1 Reacciones fotosintéticas: Se puede dividir en 2 fases: Transducción de la energía: se da en la membrana tilacoidal y consiste en la transformación de la energía luminosa en química. A partir de estas reacciones se obtiene poder reductor (NADPH) y energía (ATP). ○ Cuando la luz incide sobre los electrones de los pigmentos estos absorben la energía y pasan de un estado basal (estable) a un estado excitado (inestable). ○ El exceso de energía puede liberarse de 3 formas: Cesión de energía al medio (calor, luz,…). Cesión de la energía a otra molécula no excitada vecina (transferencia de energía). Cesión del electrón excitado a una molécula aceptora (reacción fotoquímica). Dando lugar a reacciones redox, y con ello a la transducción de energía. Se continúa por esta forma. ○ Los pigmentos que se encuentran en el complejo antena de los fotosistemas (fotosistema II primero) ceden la energía a los pigmentos vecinos mediante resonancia (gradiente de energía). ○ La energía es llevada hasta el centro de reacción donde se encuentran 2 clorofilas a, que son las únicas capaces de ceder los electrones cuando están excitadas. ○ Los electrones perdidos son recuperados debido a que el agua las dona (fotólisis del H2O). ○ Los electrones llegan al fotosistema I y ocurre el mismo proceso, donde el aceptor final de electrones es el NADP+ (recibe 2 electrones) y la recuperación de los electrones de las clorofilas a del centro de reacción se da mediante la cadena de transporte electrónico. El potencial de energía de todas las moléculas implicadas en la transferencia de electrones, desde el H2O al NADP+, describe un esquema en Z invertida. El flujo de electrones va del fotosistema II (P680) al I (P700) y es posible gracias a la cadena de transporte electrónica (fotosistema II - plastoquinona - citocromo b6f - plastocianina - fotosistema I - ferredoxina - NADP reductasa), que a su vez genera un 4 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  gradiente de H+ y con ello un flujo que se utiliza en la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa (formada por las unidades f0, que forma un canal por donde circulan los H+ hacia el estroma liberando energía; y f1, que usa la energía liberada para realizar la fotofosforilación del ADP). Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Fijación del carbono: se da en el estroma y consiste en la fijación del CO2 y la obtención consecuente de azúcares. El poder reductor y la energía son usados para estas reacciones. Se basa en el ciclo de Calvin, el cual presenta 3 fases que se repiten 3 veces: ○ Carboxilación: consiste en la fijación del CO2. Es realizada por la rubisco, que usa como sustrato la ribulosa-1-5-bisfosfato (RBP, 5C) y puede actuar como carboxilasa (ciclo de Calvin) u oxigenasa. La rubisco carboxila la ribulosa-1-5-bisfosfato fijando un CO2 y obteniendo así una molécula de 6C muy inestable que se separa rápidamente en 2 moléculas de 3C llamadas 3-fosfoglicerato (PGA). Se obtienen 6 PGA en las 3 vueltas gastando un ATP cada una. ○ Reducción: consiste en la reducción del producto de la primera fase. A través de NADPH y ATP el PGA se reduce a triosas-P (GAP). Se obtienen en total 6 GAP en las 3 vueltas gastando un ATP cada uno, uno de ellos da lugar a triosas fosfato (almidón, sacarosa,…) gastando un NADPH y las otras 5 continúan el ciclo. ○ Regeneración: consiste en la regeneración del producto inicial. Se emplean 5 moléculas de GAP para, a través de un ATP por molécula, obtener 3 moléculas de RBP. 5 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Descarga carpetas completas de una vez con el Plan PRO y PRO+  5. Fotorrespiración: Una hipótesis de su aparición es que posiblemente se deba a que cuando evolucionó la rubisco la cantidad de O2 en el ambiente no debía ser grande, por lo que apenas se empleaba la función oxigenasa, pero más tarde aumentó la concentración de O2 y supuso un problema. Cuando la rubisco actúa como Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. oxigenasa da lugar a 3-fosfoglicerato y 2-fosfoglicolato, lo que supone la pérdida de carbonos y energía. Ante esto surge el proceso de fotorrespiración que se da en el cloroplasto-peroxisoma-mitocondria y por el cual, tras la oxidación de la rubisco, surgen 2 moléculas PGA que van al ciclo de Calvin y 2 moléculas de glicolato que a partir de la fotorrespiración dan lugar a una molécula PGA que va al ciclo de Calvin y un CO2 que se pierde. Con ello se consigue perder un 75% menos de carbonos, es decir, se recuperan 3C. La actividad oxigenasa se ve beneficiada por las altas temperaturas, pues se cierran los estomas y la concentración de CO2 en el interior celular disminuye; y por el estrés hídrico, pues se cierran los estomas para evitar la pérdida de agua y la concentración de CO2 en el interior celular disminuye. 6. Plantas C4 y CAM: Son plantas que viven en ambientes áridos y cuyo metabolismo está adaptado a zonas con baja abundancia en H2O. Su metabolismo permite que la incidencia de la actividad oxigenasa de la rubisco sea muy baja. Su estrategia se basa en aumentar la concentración de CO2 cerca de la rubisco. Hay 2 tipos: Distribución espacial (C4) Distribución temporal (CAM) En ambas estrategias participa la enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa, la cual carboxila una molécula de 3C (fosfoenolpiruvato) para dar lugar al oxaloacetato (OAA) de 4C. Más tarde el oxaloacetato se descarboxila cerca de la rubisco. En las plantas C4 el proceso ocurre en las células del mesófilo, las cuales son pobres en CO2; y más tarde el oxaloacetato se transportará a las células de la vaina del haz, las cuales son ricas en rubisco, por lo que aquí se descarboxila el oxaloacetato y aumenta la concentración de CO2 cerca de la rubisco. En las plantas CAM el proceso se da por la noche, cuando la rubisco aún no funciona debido a su necesidad de recibir luz. Ante esta inactividad, el oxaloacetato se acumula en la vacuola para una vez sea de día y la rubisco esté activa se de la fotosíntesis. 6 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Descarga carpetas completas de una vez con el Plan PRO y PRO+  Las plantas C4 son más eficientes que las C3 en el uso del CO2 en la fotosíntesis. Sin embargo, las plantas C4 alcanzan la saturación antes que las C3 y su saturación se da a menores concentraciones de CO2 que las plantas C3. 7. Respiración: Es la oxidación completa de azúcares y otras moléculas orgánicas hasta CO2 y H2O. Como productos se obtienen la energía y esqueletos carbonados, necesarios para el crecimiento de la planta. Una alta proporción de los carbohidratos que asimilan las plantas diariamente se emplean en la respiración del tallo y de la raíz (25-72%). La respiración en las raíces consume entre el 10-50% del total del C asimilado diariamente en la fotosíntesis. La energía obtenida se utiliza para el crecimiento de la raíz y mantenimiento de su estructura y la absorción de iones del suelo y su entrada al xilema. Las vías respiratorias en plantas incluyen la glucólisis (citoplasma y plastos), se obtienen ácidos orgánicos (piruvato) a partir de la sacarosa; el ciclo oxidativo de las pentosas fosfatos (citoplasma y plastos), se obtiene CO2 y NADPH a partir de las pentosas que se han obtenido por las triosas de la glucólisis; el ciclo de Krebs (mitocondria), se obtiene FADH2 y NADH a partir de los ácidos orgánicos de la glucólisis; y la cadena de transporte electrónico (mitocondria), usando NADH y obteniendo ATP. La respiración celular (aeróbica) consiste en una completa oxidación, un gasto de H2O y CO2 y la obtención de 32 ATP; mientras que la fermentación (anaeróbica) consiste en una incompleta oxidación, un gasto de ácido láctico o etanol y CO2 y la obtención de 2 ATP. 7 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-8265594 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.