Fotosíntesis ¿Cómo las reacciones dependientes e independientes de la luz proveen alimento a las plantas? http://www.bionova.org.es/animbio/anim/fotosintesis.swf http://www.bionova.org.es/animbio/anim/ciclocalvin.swf

¿Por qué? Las plantas son los paneles solares originales. A través de la fotosíntesis una planta es capaz de convertir la energía electromagnética (luz) en Energía química. Esta energía se utiliza no sólo para mantener viva a la planta, sino también para sostener a todas las criaturas que dependen de la planta para obtener alimentos y refugio. Las plantas y las algas fotosintéticas son también la fuente de todo el oxígeno presente en la Tierra, lo que permite a los habitantes de la Tierra beneficiarse de nuestra fuente de energía renovable más abundante. Modelo 1 – Cloroplasto

6CO2 + 12H2O energía lumínica → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

1. Analiza al organelo ilustrado en el Modelo 1.

a. ¿Cuál es el nombre de este organelo?

b. ¿Dónde es más probable encontrar a este organelo? ¿en células animales o en células de plantas?

2. A cada una de las estructuras en forma una pila (grana) de sacos aplanados dentro del

organelo en el Modelo 1 se le llama tilacoide. ¿Cuál molécula, necesaria para la fotosíntesis, está contenida en los tilacoides?

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3. Analiza la reacción química en el Modelo 1. Ésta representa fotosíntesis.

a. ¿Qué sustancias son los reactantes en la ecuación química que representa a la fotosíntesis? Incluye en tu respuesta el nombre y la fórmula química de cada substancia.

b. ¿En qué parte del cloroplasto están almacenadas estas moléculas, antes de que ellas sean usadas en la fotosíntesis?

c. ¿La fotosíntesis es una reacción endergónica o exergónica? Apoya tu respuesta con evidencias del Modelo 1.

d. ¿Cuál es la fuente de energía para el proceso de fotosíntesis? 4. La fotosíntesis ocurre en dos partes—las reacciones dependientes de la luz y las reacciones

independientes de la luz.

a. ¿Cuál es otro nombre para las reacciones independientes de la luz?

b. ¿En qué parte del cloroplasto ocurren las reacciones dependientes de la luz?

c. ¿En qué parte del cloroplasto ocurren las reacciones independientes de la luz? 5. Teniendo en cuenta el Modelo 1 y tu respuesta a la pregunta 4, ¿cuál molécula es la que

mejor puede absorber la energía lumínica del sol y convertirla en energía química? (ver también el gráfico de la página 11)

6. ¿Cuáles substancias son producidas durante la fotosíntesis? Incluye en tu respuesta el

nombre y la fórmula química de cada substancia. 7. ¿Por qué es necesario tener seis moléculas de CO2 entrando al cloroplasto?

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Modelo 2 – Las Reacciones dependientes de la luz

8. En el Modelo 2, ¿cuál forma o símbolo representa a un electrón?

9. ¿Cuántos electrones son liberados por la fotólisis de una molécula de agua? (Pista: revisa la fotólisis esquematizada bajo el fotosistema II). Analiza el Modelo 2 y considera la siguiente información para responder las preguntas a y b. La función del complejo proteico Citocromo b6f es transferir electrones entre los fotosistemas I y II durante la fotosíntesis oxigénica; asimismo, participa en la formación del gradiente electroquímico de protones transmembrana al transferir protones del estroma al lumen de los tilacoides.

a. Encierra en un círculo rojo a la citocromo b6f.

b. ¿Qué tipo de símbolo se ha usado en el complejo citocromo b6f para representar el flujo de protones (desde el estroma hacia el espacio tilacoidal) el cual genera un gradiente de concentración protónico?

c. ¿Cuál es la fuente de energía usada por la ATP sintasa para fosforilar ADP por quimiosmosis (difusión de iones a través de una membrana, en este caso difusión de H+.?

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10. En las reacciones dependientes de la luz los electrones son liberados desde moléculas mediante dos formas.

a. Busca dos lugares en el Modelo 2 donde los electrones sean liberados, una vez energizados por los fotones de luz que alcanzan las moléculas de clorofila presentes en los fotosistemas I y II. Encierra los lugares, en el Modelo II, mediante un óvalo de color rojo( ). ¿Cómo está simbolizada en los fotosistemas la liberación del electrón una vez que absorbió la energía en las moléculas de clorofila?

b. Busca un lugar en el Modelo 2 donde los electrones sean liberados de la moléculas de agua.

c. Cuando los electrones son liberado por la fotólisis de las moléculas de agua, ¿qué otros productos (dos) son formados?

¡Lee esto! Las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis incluyen a tres procesos principales:

A. Los electrones excitados abandonan la clorofila y reducen NADP+ a NADPH.

B. Los electrones excitados, que se mueven a través de la cadena de transporte de electrones, proveen la energía libre necesaria para bombear iones hidrógeno al interior del tilacoide.

C. Los iones Hidrógeno fluyen hacia fuera del tilacoide a través de un canal proteico –la ATP sintasa- proveyendo la energía libre necesaria para convertir ADP+ Pi en ATP.

11. En el Modelo 2, rotula el diagrama con “A,” “B,” and “C” para indicar dónde ocurren los

tres pasos señalados en ¡Lee esto! .

12. Las reacciones dependientes de la luz incluyen a una cadena de transporte de electrones que funciona de una forma muy similar a la cadena de transporte de electrones que se presenta en la membrana mitocondrial interna y donde ocurre la última etapa de la respiración celular. Describe brevemente cómo funciona este sistema y qué trabajo ejecuta en las reacciones dependientes de la luz. (Tu respuesta deberá incluir una discusión sobre el gradiente de concentración de protones -ión hidrógeno- creado a través de la membrana del tilacoide

13. Analiza el Modelo 2.

a. Da el nombre al complejo proteico embebido*, presente en la membrana del tilacoide que usa electrones excitados para reducir NADP+ a NADPH.

b. Da el nombre al complejo proteico embebido, presente en la membrana del tilacoide que provee electrones excitados a la cadena de transporte de electrones

c. Da el nombre al complejo proteico embebido, presente en la membrana del tilacoide

que convierte ADP +Pi a ATP usando la energía libre de un flujo de iones hidrógeno. *Anglicismo que significa empotrado, incrustado. En este caso, incrustado en la membrana tilacoidal 4 Prof. GAToledo, Depto. de Cs., SFC, 2016

14. Una vez que una molécula de clorofila ha liberado electrones podrá realizar la misma acción hasta que esos electrones sean reemplazados.

a. De acuerdo con el Modelo 2, ¿cuál es la fuente de los electrones que se

reemplazan para aquellos que son liberados desde el fotosistema I?

b. De acuerdo con el Modelo 2, ¿cuál es la fuente de los electrones que se reemplazan para aquellos que son liberados desde el fotosistema II?

15. ¿Está participando el dióxido de carbono en las reacciones dependientes de la luz?

16. Analiza el Modelo 2.

a. Escribe una ecuación que resuma todas las reacciones químicas que ocurren en las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis comenzando con dos moléculas de agua.

b. En la reacción de la fotosíntesis del Modelo 1, se muestran doce moléculas de agua como reactantes, pero son mostradas sólo seis moléculas de agua como productos. ¿Son algunas de las doce moléculas de agua productos de las reacciones dependientes de la luz?

c. Calcula el número total de moléculas de oxígeno, NADPH y ATP que son producidas cuando 12 moléculas de agua completan las reacciones dependientes de la luz.

17. ¿Dónde son producidos tanto la moléculas de ATP como la de NADPH durante reacciones dependientes de la luz y hacia donde se dirigen ambas moléculas cuando el proceso el proceso se completa?

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Modelo 3 – REACCIONES INDEPENDIENTES DE LA LUZ (Ciclo de Calvin) http://www.science.smith.edu/departments/Biology/Bio231/calvin3.swf

18. De acuerdo con el Modelo 3, ¿cuáles son las tres fases del ciclo de Calvin?

19. Busca, hasta que encuentres al compuesto ribulosa bifosfato (RuBP) en el Modelo 3. a. ¿Cuántas moléculas de RuBP se utilizan en una vuelta del ciclo de Calvin?

b. ¿Cuántos átomos de carbono se encuentran en cada molécula RuBP?

c. Calcula el número total de átomos de carbono representados en todas las moléculas de RuBP usadas en una vuelta del ciclo de Calvin. Escribe el Nº a continuación:

20. La ribulosa bifosfato(RuBP) se combina con el dióxido de carbono (CO2) para formar fosfoglicerato (PGA) durante la fase de fijación del carbono del Ciclo de Calvin.

a. ¿Cuántas moléculas de CO2 son usadas en una vuelta del Ciclo de Calvin?

b. ¿Cuántas moléculas de PGA son usadas en una vuelta del Ciclo de Calvin?

c. ¿Cuántos átomos de carbono hay en una molécula de PGA?

6 NADP + + 6H 2 O + 6 P

i

17. Ciclo de Calvin? 18.

a.

b.

c.

d Calcula el número total de átomos de carbono representados en todas las moléculas de PGA usadas en una vuelta del Ciclo de Calvin.

21. Explica qué destino tuvieron los átomos de carbono de las moléculas del dióxido de carbono que entraron al Ciclo de Calvin.

22. Analiza el concepto “fijación del carbono”. Piensa individualmente por un momento qué es lo que podría significar este concepto, luego comparte tus ideas con tu grupo. Registra, a continuación, la definición consensuada del grupo para “fijación del carbono”.

¡Lee esto! El Modelo 3 es una versión simplificada del Ciclo de Calvin. Cada una de las tres fases del ciclo consta de múltiples reacciones que son catalizadas por enzimas especificas para esa reacción. Estas enzimas tienen nombres como RuBisCo, fosfoglicerato quinasa y PGAL hidrogenasa.

22. Analiza la fase de reducción del Ciclo de Calvin en el Modelo 3.

a. ¿En qué molécula se convierte la molécula de PGA durante esta fase del Ciclo de Calvin?

b. Describe específicamente en qué se diferencian las estructuras de las dos moléculas, de la pregunta 22 a. (si descubres correctamente la diferencia encontrarás también la razón del por qué a esta fase se le llama “reducción”)

c. Identifica los tipos y las cantidades de moléculas que proveen la energía libre necesaria para la reducción de las moléculas de PGA.

d. ¿Es cambiado el número total de átomos de carbono presentes en el Ciclo de Calvin durante la fase de reducción? Apoya tu respuesta con evidencias del Modelo 3.

23. El agua es un producto de la fase de reducción del Ciclo de Calvin. a. ¿Cuántas moléculas de agua son producidas?

b. Explica de dónde se originaron los átomos de hidrogeno y de oxígeno que formaron las moléculas de agua.

Fotosíntesis 7

24. Analiza la fase de regeneración del Ciclo de Calvin en el Modelo 3.

a. ¿Cuántas moléculas de PGAL continúan en la fase de regeneración del Ciclo de Calvin?

b. Identifica los tipos y cantidades de moléculas que proveen la energía libre necesaria para la regeneración de estas moléculas.

c. ¿Cuál es el total de átomos de carbono que permanecen en el Ciclo de Calvin en este punto?

d. ¿Cuál (es) molécula (s) es (son) “regenerada(s)” en esta fase del ciclo?

e. ¿Cuál es el total de átomos de carbono que abandonan al Ciclo de Calvin antes de la fase de regeneración?

f. ¿Qué le ocurre a la molécula de PGAL que no continúa en el Ciclo de Calvin?

¡Lee esto! Es muy probable que te hayas dado cuenta, después de tu responsable, sistemático y cuidadoso estudio del Ciclo de Calvin, ilustrado en el Modelo 3, que tres átomos de carbono entran en el ciclo como de Dióxido de Carbono y tres Átomos de Carbono salen del ciclo, como PGAL. Parece obvio suponer que los tres átomos que abandonan el ciclo fueran los mismos tres que entraron como dióxido de carbono, pero eso no es correcto. Puede ser que ninguno de los Átomos de Carbono que formaban las 3 moléculas del Dióxido de Carbono que entran al ciclo haya sido incorporada a una molécula de PGAL que sale del ciclo. Alternativamente, también es posible que uno de los Átomos de Carbono del Dióxido de Carbono pueda formar parte de una molécula PGAL que sale del ciclo. A medida que pasa el tiempo todos los Átomos de Carbono que entran al ciclo lo abandonarán como parte de una molécula PGAL, pero deben esperar su turno. 8 Prof. GAToledo, Depto. de Cs., SFC, 2016

25. La reacción en el Modelo 1 muestra a la glucosa (C6H12O6) como un producto de la fotosíntesis.

a. ¿Cuántas moléculas de PGAL se necesitan para formar una molécula de glucosa? Justifica tu respuesta con una discusión de los números de átomos de carbono.

b. ¿Cuántas vueltas del Ciclo de Calvin son necesarias para sintetizar una molécula de glucosa?

c. Calcula el número total de moléculas de ATP y de NADPH usadas en la producción de una molécula de glucosa.

26. ¿Hacia dónde son movilizadas las moléculas de ADP+Pi y de NADP+

después de ser usadas las moléculas de ATP y de NADPH durante el Ciclo de Calvin?

27. Explica en detalle, usando oraciones completas, de qué forma son dependientes una de la otra las dos reacciones principales de la fotosíntesis (fase dependiente de la luz y fase independiente de la luz).

28.Bajo cada molécula en la ecuación de más abajo, indica si está involucrada (ya sea usada o producida) en las reacciones dependientes de la luz o en el Ciclo de Calvin.

6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

29. A través de la fotosíntesis, la energía es transferida desde la luz a muchas moléculas con energía potencial cada vez mayor. Usa las siguientes palabras para resumir el orden en el que ocurre el flujo de energía.

electrones ATP glucosa luz solar

30. Aunque la fotosíntesis produce algo de ATP, estas moléculas no son usadas para hacer trabajo

en las células de las plantas. ¿Cuál otro proceso ocurre en las células que provee el ATP necesario para hacer trabajo celular tales como síntesis de proteínas, división celular, mover sustancias por transporte activo a través de la membrana, etc.?

Fotosíntesis 9

Preguntas de extensión

Modelo 4 – El estudio de la Fotosíntesis

Dióxido de C

Oxígeno

Concentración RuBP de moléculas

Tiempo

31. Cuando las algas están fotosintetizando, cambian las concentraciones de varias moléculas en el interior de las células. Esas concentraciones pueden ser monitoreadas y graficadas. En oraciones completas, explica la forma de cada línea ilustradas en el gráfico del Modelo 4.

Dióxido de carbono—

oxígeno—

RuBP—

32. La Fotosíntesis típicamente se ha representado por una ecuación simple.

6CO2 + 6H2O luz → C6H12O6 + 6O2 a. Señala las diferencias y semejanzas entre esta ecuación simplificada con la presentada

en el Modelo 1.

b. Usa la información de esta actividad para explicar por qué la ecuación de más arriba es una representación considerablemente simplificada del proceso real.

10 Prof. GAToledo, Depto. de Cs., SFC, 2016

Espectro de absorción de 3 pigmentos fotosintéticos

Para saber más: http://es.slideshare.net/gustavotoledo/3-d-fotosntesis1ok http://es.slideshare.net/gustavotoledo/fotosintesis-video-mcgrawhilll-video-sobre-fotosntesis-en-3d