Fotosíntesis: proceso metabólico y reacciones dependientes de la luz

FOTOSÍNTESIS

UNIDAD 5: Energía y metabolismo celular. El metabolismo: concepto, anabolismo y catabolismo, energía y ATP, organismos autótrofos y heterótrofos. Transformaciones energéticas. Enzimas. Coenzimas. El ATP como reservorio de energía. Fotosíntesis. Cloroplastos. Clorofila y pigmentos accesorios. Estadios de la fotosíntesis. Fase luminosa. Hipótesis quimiosmótica de la formación de ATP. Fase bioquímica. Glucólisis. Mitocondrias. La respiración celular. Ciclo de Krebs. Cadena respiratoria.

¿QUÉ ES LA FOTOSÍNTESIS?

PROCESO METABÓLICO MEDIANTE EL CUAL LA ENERGÍA DE LA LUZ SOLAR ES CAPTADA Y UTILIZADA PARA CONVERTIR DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) GASEOSO DEL AIRE Y AGUA (H2O), EN HIDRATOS DE CARBONO (Y OTRAS BIOMOLÉCULAS), GENERANDO OXÍGENO GASEOSO (O2) COMO SUBPRODUCTO.

La FOTOSÍNTESIS es un proceso complejo. Sin embargo, la REACCIÓN GENERAL se puede resumir de la siguiente manera:

Luz CO2 + H2O 2 (CH2O)n + O2 Dióxido de carbono Agua clorofila Hidrato de carbono Oxígeno Compuesto Energético

¿QUÉ ORGANISMOS REALIZAN FOTOSÍNTESIS?

Los FOTOAUTÓTROFOS realizan fotosíntesis. Son organismos que UTILIZAN LA la ENERGÍA SOLAR para producir MOLÉCULAS BIOSÍNTESIS DE ORGÁNICAS ricas en energía, A PARTIR DE materiales iniciales INORGÁNICOS SIMPLES: DIOXIDO DE CARBONO Y AGUA.

ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS

Plantas, Algas y Protistas

Plantas Algas unicelulares y multicelulares (verdes, pardas). Protistas (euglenas). Algunos procariontes (cianobacterias).

Algas

Protistas: Euglena

Procariontes: Cianobacterias

stigma chloroplasts ovoid-ring shaped paramylon body nucleus

¿Dónde se realiza la fotosíntesis?

Cloroplastos y Membranas Fotosintéticas

EN LOS CLOROPLASTOS: en TODAS LAS PLANTAS SUPERIORES, ALGAS y PROTISTAS. LOS PROCARIOTAS FOTOSINTÉTICOS NO TIENEN CLOROPLASTOS. Sin embargo, algunos de ellos, como las CIANOBACTERIAS, tienen la membrana plasmática plegada hacia el interior formando MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS. Tales estructuras, son análogas a los tilacoides.

Membranas fotosintéticas 1 pm Membranas fotosintéticas de una cianobacteria. La cianobacterias, como otros fotoautótrofos, son capaz de fijar carbono fotosintético. Esta micrografia electrónica de una sección fina de Anabaena azollae revela el extenso plagamiento de la membrana de las células de cianobacterias que se parece a los tilacoides de un cloroplasto (TEM).

Nucleoide con ADN bacteriano Mesosoma Pared Celular Polirribosomas 0 O O Y Flagelo bacteriano O Ribosomas Membrana plasmática Laminillas

Localización del cloroplasto en Eucariotas

EUCARIOTAS: Localización del cloroplasto cutícula Sección transversal de una hoja epidermis superior mesófilo epidermis inferior CO; vona de la hoja estoma membrana interior membrana exterior ostroma estroma grano Cloroplasto 37 000× espacio tilacoide membrana del tilacoide Granos tilacoide independiente en un grano traslape tilacoide en un grano

Las hojas y la fotosintesis. La materia prima para la fotosintesis consiste en dióxido de carbono y agua El agua, que entra a la hoja a través de sus verus, y el dióxido de carbono. por medio de los estomas, se difunden en los cloroplastos Los cloroplastos se componen de dos partes principales. Los granos están formados por tlacoides, discos membranosos que contienen pigmentos fotosintéticos. como clorofilas a y b. Estos pigmentos absorben energía solar. El estroma es un espacio lleno de líquido donde el dióxido de carbono se reduce en forma enzimática a un carbohidrato, como la glucosa.

Estructura de los Cloroplastos

Los cloroplastos estan compuestos por TRES SISTEMAS DE MEMBRANAS: Membrana externa, Membrana interna y Membranas de los tilacoides

Membranas externa e interna Estroma Grana Tilacoides del estroma (a) Cloroplasto

Membrana externa Espacio intermembrana Membrana interna Estroma Granum (montones de tilacoides) Tilacoide Tilacoide del estroma (b) Diagrama del interior de un cloroplasto

Tilacoides Lumen del tilacoide Granum Tilacoides del estroma (c) Micrografía electrónica de la grana y los tilacoides del estroma 0,5 μm

(d) Diagrama de lo tilacoides de los grana y del estroma Tilacoide Tilacoides del estroma Estroma Granum

CLOROPLASTOS Membrana del tilacoide Espacio del tilacoide (lumen) Membrana externa Tilacoides Espacio intermembranoso Membrana interna Estroma Grana Ribosoma ADN del cloroplasto

EN LAS MEMBRANAS DE LOS TILACOIDES SE SITÚAN LAS PROTEÍNAS Y MOLÉCULAS RESPONSABLES DE REALIZAR UNA PARTE DE LA FOTOSÍNTESIS.

¿CÓMO PARTICIPA LA LUZ EN LA FOTOSÍNTESIS?

EN LA FOTOSÍNTESIS, LA ENERGIA LUMINOSA SE CONVIERTE EN ENERGÍA QUÍMICA (transformación de la energía). ES DECIR LA LUZ ES NECESARIA PARA QUE SE FORME ATP Y NADPH, DOS SUSTANCIAS NECESARIAS PARA LUEGO FORMAR LAS BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS. PARA ESO, LA LUZ INTERACCIONA CON CIERTOS ÁTOMOS Y MOLÉCULAS QUE ESTÁN DENTRO DE UN CLOROPLASTO O DE UNA BACTERIA: LOS PIGMENTOS

LOS PIGMENTOS EN LA FOTOSÍNTESIS

Clorofila: Pigmento Primario

La CLOROFILA es el PIGMENTO PRIMARIO DE TRANSDUCCIÓN (CONVERSION) DE LA ENERGÍA SOLAR. Clorofilas a y b

La estructura de cada molécula consiste en un anillo central y una cadena lateral fuertemente hidrofóbica. CH2 CHO en la clorofila b CH2 en la clorofila a - Saturado en bacterioclorofila H3C N N CH3 Mg H3C N N CH H "H H CH3 CH3 CH3 CH3 O H O O CH3 Los dobles enlaces alternantes en el anillo son responsables de la absorción de la luz visible. O Cadena lateral de fitol La cadena lateral interacciona con los lípidos de la membrana del tilacoide o con las membranas de las cianobacterias, anclando las moléculas absorbentes de luz a estas membranas.

Otros Pigmentos: Carotenoides

OTROS PIGMENTOS Los autótrofos también poseen pigmentos llamados CAROTENOIDES que pueden ser de color anaranjado, amarillo o rojo. " Los carotenoides, absorben luz pero cumplen una función de "colaboración" con la clorofila en este proceso y se los denomina pigmentos accesorios o secundarios.

¿DÓNDE ESTÁN LOS PIGMENTOS?

Pigmentos en los Fotosistemas

EN LAS MEMBRANAS DE LOS TILACOIDES se encuentran los PIGMENTOS, EN LOS FOTOSISTEMAS. LOS PIGMENTOS ACCESORIOS ABSORBEN ENERGÍA RADIANTE Y LA CANALIZAN HACIA LA CLOROFILA a. La transferencia de energía se hace de pigmento a pigmento, hasta llegar a la CLOROFILA a, FORMANDO UN FOTOSISTEMA.

EN LA MEMBRANA DEL TILACOIDE Fotón Transferencia de Electrones Clorofila LOS PIGMENTOS ACCESORIOS ABSORBEN ENERGÍA RADIANTE Y LA CANALIZAN HACIA LA CLOROFILA a. Aceptor primario FOTOSISTEMA Transferencia de energía Pigmentos Antena FOTOSISTEMA

Membrana Tilacoidal y Fotosistemas

MEMBRANA DEL TILACOIDE La MEMBRANA TILACOIDAL responde al MODELO DEL MOSAICO FLUIDO. Posee lípidos, moléculas de clorofila, carotenoides, etc. que intervienen en la fotosíntesis. Las MOLECULAS DE CLOROFILA se disponen AGRUPADAS CON PROTEÍNAS INTRÍNSECAS formando varios COMPLEJOS DE GRAN IMPORTANCIA EN LA FOTOSÍNTESIS (FOTOSISTEMAS I Y II).

Tilacoide FOTOSISTEMAS Fotón FOTOSISTEMA ESTROMA Complejos captadores de luz Centro de reacción Aceptor primario de electrones Membrana del tilacoide e Transferencia de energía Moléculas especiales de clorofila a Moléculas de pigmento ESPACIO TILACOIDAL (INTERIOR DEL TILACOIDE)

Las moléculas de clorofila, los pigmentos accesorios y las proteínas asociadas se organizan en unidades funcionales llamadas: FOTOSISTEMAS. CENTRO DE REACCIÓN : está compuesto por DOS MOLÉCULAS ESPECIALES DE CLOROFILA a y una molécula denominada ACEPTOR PRIMARIO DE ELECTRONES. COMPLEJO ANTENA: es el COMPLEJO CAPTADOR DE LUZ formado por CIENTOS DE MOLÉCULAS DE CLOROFILA Y PIGMENTOS ACCESORIOS, 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 de reacción.

Dos tipos de fotosistemas: Fotosistema I: P700. con un máximo de absorción a 700 nm. Fotosistema II: P680. con un máximo de absorción de 680 nm. EN LOS DOS FOTOSISTEMAS SE PRODUCE LA EXCITACIÓN (pérdida de sus electrones por efecto de la luz) DE LA CLOROFILA a.

¿CÓMO SE PRODUCE LA FOTOSÍNTESIS?

Fases de la Fotosíntesis

La FOTOSÍNTESIS implica DOS PROCESOS PRINCIPALES QUE SE PRODUCEN EN DOS FASES: LA la TRANSFORMACION DE ENERGÍA (fase luminosa) y ala ASIMILACIÓN DE CARBONO fase bioquímica).

La FOTOSÍNTESIS LUMÍNICA EN ENERGÍA QUÍMICA. CONVIERTE ENERGÍA

1. Las reacciones de la FASE LUMINOSA CONVIERTEN LA ENERGÍA SOLAR EN LA ENERGÍA QUÍMICA del ATP y GENERAN PODER REDUCTOR almacenado en el NADPH.
2. Las reacciones de la FASE BIOQUÍMICA (CICLO de Calvin) UTILIZAN el ATP y el NADPH para CONVERTIR CO2 EN UN HIDRATO DE CARBONO.

Fases de la fotosíntesis

1. Fase luminosa: reacciones que ABSORBEN LUZ. Generación de ATP y NADPH.

[2. Fase bioquímica (Ciclo de Calvin): reacciones independientes de la luz. Usan el ATP y NADPH, y FIJAN CARBONO (del CO2).

Reacciones Dependientes de Luz

Generación de ATP y NADPH

1. Reacciones dependientes de luz ¡EN ESTA FASE SE GENERAN ATP Y NADPH NECESARIOS PARA LA SÍNTESIS DE AZÚCAR EN LA SEGUNDA FASE (BIOQUÍMICA)! Ocurren EN LAS MEMBRANAS TILACOIDALES DE LOS CLOROPLASTOS, EN LOS FOTOSISTEMAS. Consisten en la transformación de energía lumínica en química, bajo la forma de ATP, y en la obtención de una fuente reductora: la coenzima NADPH.

Flujo Electrónico No Cíclico (Fotofosforilación Acíclica)

¿Cómo genera ATP y NADPH el flujo electrónico NO cíclico (FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA) durante las reacciones de la FASE LUMINOSA? ESTROMA (baja concentración de Fotosistema II Complejo citocromo Fotosistema I Luz NAD+ reduc asa LU 2 Ht 3 Fd NADP+ + 2N+ NADPH |+ H+ Pq Pc 2 H,0 ESPACIO TILACOIDAL (alta concentración de H+) 1 +2 H+ 2 H+ Al ciclo de Calvin Membrana tilacoidal ATP sintasa ADP + ATP ESTROMA (baja concentración de H*) P

LOS FOTOSISTEMAS I y II, LAS CADENAS DE TRANSPORTE DE ELECTRONES y LAS ATP sintasa (además de la enzima que forma el NADPH), SE ENCUENTRAN EN LAS MEMBRANAS DE LOS TILACOIDES.

LOS DOS FOTOSISTEMAS TIENEN CLOROFILA a LOS DOS SON EXCITADOS POR LA LUZ LA CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES QUE PARTICIPA EN LA PRODUCCIÓN DE ATP, SE UBICA ENTRE LOS DOS FOTOSISTEMAS

Energía de los electrones + 1/2 O 2 - Luz P680 P700 Centros de reacción Luz A Fotón transmitido Fotosistema II (PS II) Cadena de transporte de electrones Aceptor primario de transporte de electrones Pd NADP+ + 2 H+ - e - H,O 2 2 H+ Complejo citocromo NADP+ reductasa Pc - NADPA + H+ ATP Fotón transmitido Fotosistema I (PS I) Cadena Aceptor primario Pq - - -