FOTOSINTESIS. Temas Generalidades sobre el metabolismo fotosintético Foto asimilación de Carbono...

FOTOSINTESIS

TemasTemas

Generalidades sobre el Generalidades sobre el metabolismo fotosintéticometabolismo fotosintético

Foto asimilación de CarbonoFoto asimilación de Carbono FluorescenciaFluorescencia Métodos para evaluar Métodos para evaluar FotosíntesisFotosíntesis

Curvas Fotosíntesis x Curvas Fotosíntesis x IrradianciaIrradiancia

Fotosíntesis(~ 80%)

Calor(17 – 18%)

Fluorescencia(1 – 2%)

Luz(100%)

FLUJO DE ENERGIA

Donde Ocurre?Donde Ocurre? CloroplastosCloroplastos

Corte de una Hoja

Hoja

Celula Vegetal

CO2O2

Cloroplasto

Cloroplasto

Grana Stroma

TE

M 9

,75

0

Stroma

Granum Thylakoid Thylakoidspace

Membrana Externa

Membrana Interna

LM

2

,600

Cloroplasto

Stroma

MembranasInternas & externas

Granum

1 tilacoide

Estructura del CloroplastoEstructura del Cloroplasto 3 compartimientos:3 compartimientos:

1.1. Espacio “inter membranas”Espacio “inter membranas”

2.2. EstromaEstroma: fluido compuesto de azucares que : fluido compuesto de azucares que contiene los tilacoidescontiene los tilacoides

3.3. Espacio de los tilacoidesEspacio de los tilacoides TilacoidesTilacoides: membranas interconectadas: membranas interconectadas GranaGrana: componen los tilacoides; grupos de discos : componen los tilacoides; grupos de discos

(membranas) donde ocurre la fotosintesis(membranas) donde ocurre la fotosintesis

Plantas producen OPlantas producen O22 a partir del agua a partir del agua

Reactivos:

Productos:

6 CO2 12 H2O

C6H12O6 6 H2O 6 O2

22612622 66126 OOHOHCOHCO

La fotosintesis es un proceso redoxLa fotosintesis es un proceso redox

e- mueven de una molecula a otrae- mueven de una molecula a otra HH22O se oxida O se oxida

COCO22 se reduce se reduce e- gana energia potenciale- gana energia potencial

Fotosintesis2612622 666 OOHCOHCO

Reducción

Oxidación

FOTOSINTESISFOTOSINTESIS

REACCIONES DE CLARO

REACCIONES DE OSCURO

(Ciclo de Calvin-Benson)

Light

CO2H2OCloroplasto

REACCIONESDE LUZ

(tIlacoides)

CICLODE CALVIN

(stroma)

NADP+

ADP+ P

ATP

NADPH

O2 Azucar

Electrons

Reacciones de Claro: Flujo de Electrones

En Resumen:En Resumen:

1. Los fotones inciden inicialmente en los pigmentos accesorios

2. Estos transfieren la energía, molécula a molécula, hacia los CR

CR están formados por clorofila –a excitable a 680 (P680 en PSII) y 700 nm (P700 en PSI)

Pigment Trap Longitud de Onda que permite llegar al primer estado de excitación (singlet excited state)

Aun siendo Clorofilas, P680 y P700 tienen características de absorción MUY diferentes … esto debido a que están ligadas a aminoácidos muy específicos de las proteínas del CR.

Clorofila-aClorofila-a• La clorofila-a es una molécula estructurada en dos partes: un anillo de porfirina y una cadena larga llamada fitol.• El anillo de porfirina es un tetrapirrol con una molecula de Mg quelada en el centro.• El grupo tetrapirrolico absorbe en el AZUL (Banda B o Soret) y la cadena fitol en el ROJO (Banda Q) del espectro electromagnetico.

e- Ionizacion

Calor

Fluorescencia

En

erg

ia d

el

ele

ctr

on

Foton

Estado Excitado

Calor

Foton(fluorescencia)

Ground state

MoleculaClorofila

e–

Diagrama ZDiagrama Z

Donor sideOf PSII

Acceptor side of PSIIDonor side of PS I

Acceptor sideOf PSI

Estructura del tilacoide y Estructura del tilacoide y localización de los CRlocalización de los CR

Nomenclatura:Nomenclatura: Tyr: molecula del aminoacido Tyrosina (Yz) Pheo: moelcula de feofitina (aceptor primario del PSII) QA: platoquinona. Primer aceptor primaria estable que acepta un electrón por vez QB: plastoquinona “inestable” que acepta 2 electrones a la vez y toma 2 protones antes de

desprenderse y “transformarse” en la llamada PQ. En esta forma es móvil y se difunde en la membrana del tilacoide.

FeS: proteina hierro-sulfura Cyt f: citocromo f Cyt b6L y Cytb6H citocromos b PC: plastocianina AO: tipo especial de clorofila-a que es el aceptor primario del PSI

A1: molecula de filoquinona (Vitamina K) Fx, FA y FB proteinas hierro-sulfuro inmoviles FD: proteina feredoxina FNR: enzima ferredoxina-NADP NADP+: forma oxidada de la Nicotiamida-Adenina Dinucleotido fosfato NADPH: forma reducida. ATP: Adenosina Tri Fosfato

NúmerosNúmeros

1. Se requieren 4 moles de fotones para la síntesis de un mol de O2 + 2H+ (lumen)

2. Durante el transporte de 2 electrones entre el PSII y PSI se introducen 4H+ al lumen

3. 6H+ se bombean (ATPasa) a través de la membrana tilacoidal y se sintetizan:

- 1.5 ATP- 1 NADPH

Acoplamiento fase lumínica y oscuraAcoplamiento fase lumínica y oscura

• La función principal de la fase lumínica es la síntesis de ATP y NADPH

• Estas moléculas de alta energía son utilizadas para activar las enzimas del ciclo de Calvin-Benson durante la fijación de CO2

El Ciclo de Calvin-Benson-BasshamEl Ciclo de Calvin-Benson-Bassham

Ciclo de Calvin:Ocurre en el estroma

Usa C proveniente del CO2, e- delNADPH, y energia de ATP para

sintetizar Glicerato 3 fosfato (G3P)G3P es usado para sintetizar glucosa

y otras moleculas organicas Pasos:

1. Fijar CO2

2. Reduccion del carbono 3. Liberar G3P 4. Regeneracion de RuBP (ribulose 1,5-

bifosfato) Enzima RUBISCO: encargada de catalizar la

fijacion de Carbono (ribulosa-1,5 bifosfato carboxilasa/oxigenasa (Enzima mas abundante en el mundo)

Input

CO2

ATPNADPH

CICLODE

CALVIN

G3POutput:

iPADPNADPHOHC

ATPHNADPHCO

33206/1

322

26126

2

Ecuacion del Ciclo de CalvinEcuacion del Ciclo de Calvin

Ciclo de Calvin: paso a pasoCiclo de Calvin: paso a paso

CICLODE

CALVIN

3

3 P

Input:

P 6 PRuBP 3-PGA

G3P6 P

6 ATP

6ADP + P

6 NADPH

6 NADP+

2

Output: 1 PG3P

Glucoseand other

compounds

3

3

3 ADP

ATP

5 PG3P

4

CO2

1

Paso : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco “atrapa” el CO2 para agregar el C al azucar de 5 C RuBP.- El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3-PGA.

1

CICLODE

CALVIN

3

3 P

Input:

P 6 PRuBP 3-PGA

G3P6 P

6 ATP

6ADP + P

6 NADPH

6 NADP+

2

Output: 1 PG3P

Glucoseand other

compounds

3

3

3 ADP

ATP

5 PG3P

4

CO2

1

2Paso : Reduccion. - NADPH es usado (oxidado) para reducir 3-PGA al azuzar rico en energia 3-PGA.-ATP es usado como fuente de energia.

Ciclo de Calvin: paso a pasoCiclo de Calvin: paso a pasoPaso : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco “atrapa” el CO2 para agregar el C al azucar de 5 C RuBP.- El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3-PGA.

1

CICLODE

CALVIN

3

3 P

Input:

P 6 PRuBP 3-PGA

G3P6 P

6 ATP

6ADP + P

6 NADPH

6 NADP+

2

Output: 1 PG3P

Glucosay otros

compuestos

3

3

3 ADP

ATP

5 PG3P

4

CO2

1

3Paso : Libera 1 molecula de G3P. -Para cada 3 CO2 fijadas, 1 G3P es liberada como producto.-Las otras G3P continuan en la etapa (Paso) 4.


Paso : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco “atrapa” el CO2 para agregar el C al azucar de 5 C RuBP.- El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3-PGA.

1


CICLODE

CALVIN

3

3 P

Input:

P 6 PRuBP 3-PGA

G3P6 P

6 ATP

6ADP + P

6 NADPH

6 NADP+

2

Output: 1 PG3P

GlucosaY otros

compuestos

3

3

3 ADP

ATP

5 PG3P

4

CO2

1

Paso : Regeneracion de RuBP. -5 moleculas de G3P son reacomodadas para formar 3 moleculas de RuBP.-RuBP es regenerada para iniciar otro ciclo. -ATP es usado como fuente de energia.

4

3Paso : Libera 1 molecula de G3P. -Para cada 3 CO2 fijadas, 1 G3P es liberada como producto.-Las otras G3P continuan en la etapa (Paso 4).


Paso : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco, azucar de 5 C, atrapa el CO2. - El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3-PGA.

1


NúmerosNúmeros

El resultado de la Fotosíntesis es:

)/3(6896693 2 DHAPPGatoTriosafosfNADPPiADPHNADPHATPCO

* Triosas fosfato sintetizan FRUCTOSA 6 FOSFATO y posteriormente GLUCOSA

REVISIONREVISION

Luz

H2O CO2

NADP+

Fotosistema II

Fotosistema I

CadenaTransporteElectrones

ADPP+

RUBP

CICLODE

CALVIN(en stroma)

3-PGA

Stroma

G3PNADPH

ATP

O2

REACCIONES DE LUZ CICLO DE CALVIN

Azucares

RespiracionCelular

Celulosa

Almidon

Otros compuestosorganicos

MembranasTilacoides

Cloroplasto

Fotosintesis x Productividad x Produccion

Proceso que lleva a la incorporacion de carbono inorganico (CO2) en los oceanos es la FOTOSINTESIS.

El producto de la fotosintesis, esto es, la cantidad de biomasa producida, es definida como PRODUCCION PRIMARIA

La tasa de variacion de la produccion primaria en el tiempo es la PRODUCTIVIDAD PRIMARIA (Ej. mg C.m-3.h-1)

PP Bruta X PP Neta

PPB = La cantidad total de materia organica producida por los productores primarios

PPN = PPB menos la energia utilizada (o materia organica respirada) por el fitoplancton

PP Bruta(produccion total)

Materia organica usada por el fitoplancton como fuente

de energia 70 – 90%

10-30 %PP Neta

2 2 6 12 6 26 6 6LUZNutrientes

CO H O C H O O

METODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESISMETODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESIS

Produccion de Oxigeno (titulacion de Produccion de Oxigeno (titulacion de Winkler o electrodos de oxigeno)Winkler o electrodos de oxigeno)

Asimilacion de Carbono-14 (Steeman Asimilacion de Carbono-14 (Steeman Nielsen, 1952)Nielsen, 1952)

Emision de Fluorecencia (PAM)Emision de Fluorecencia (PAM)

En principio para cada molécula de oxigeno evolucionada, 1 molecula de CO2 es incorporada

En realidad 1.2 molecula de O2 ≈ 1 molecula de CO2

En sistemas acuáticos la evolución de O2 al agua es determinada mediante titulaciones químicas (botella clara y obscura) o mediante técnicas polarograficas (electrodos de oxigeno)

Concentración inicial de Oxigeno/CO2 Incubación por periodo conocido Determinación de concentración final después de periodo en exposición a luz

Uso de dos botellas: clara y oscura La botella clara es expuesta a luz y la concentración final nos va a indicar la evolución del O2

La perdida de oxigeno en la botella oscura nos indica respiración

Producción Neta = Prod. Bruta - Respiración

14CO 2Incubador

Filtrado

Contador de Centelleo Liquido Vial de centelleo

Vapores deHCL

Filtro

NaH14CO3

(1)

Concentración de fitoplancton en la muestraConcentración de fitoplancton en la muestra

Corriente de California : 0.3 Ci/ml (~4 Ci/ml)

Cultivos: 0.2 Ci/ml

DBO100-250 ml

Vial de Centelleo20 ml

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Pro

fund

idad

Z (

m)

Figura 6.- Diagrama de incubaciones para generar experimento P-E

in situ

In situ

Figura 7.- Canasta de incubación. Permite incubar varias botellas a la misma Z

In situ

Figura 8.- Incubador del tipo in situ Araña

In situ

Figura 9.- Incubador de luz natural

In situ-simulado

Figura 14. Detalles de la vista total del Fotosintetrón.

Lewis et al, 1983

LuzArtificial

Vapores de HCL

se guarda en Vial con 10 ml de liquido de centelleo

Principales tipos de radiación:Partículas-2p2n (nucleos de He)Partículas- electrones (e-)Partículas- fotones (hv)

14N7 + n 14C6 + p+

14C6 14N7 + (e-) + neutrino

Autoradiografia (exposicion a una emulsion fotografica)

Contadores Geiger

Espectrofotometria de centelleo

14C

e- e- e- e-

SOLVENTE

Principios de medición de radiactividad en muestrasPrincipios de medición de radiactividad en muestras

FLUOR.200-300 nm

340-400 nm

Num. de emisiones de luz

Intensidad de la luz

Registro de numero de conteos (desintegraciones) por nivel de energía (canales)

= CPM (conteos por minuto)

= H

2 31 2 3 4* * *k k H k H k H E =

DPM = CPME

NRi

W

V

RbRsPP

*

1000*05.1**

PP = mg C asimilado/volumen/tiempo

PP = mg C/m-3/h

NRi

W

V

RbRsPP

*

1000*05.1**

Rs – radioactividad de la muestra en dpm Rb – radioactividad del blanco en dpm Ri – radioactividad del inoculo en dpm V – volumen filtrado (litros) W – concentración inicial de CO2 en la muestra (mg/l), determinada mediante la alcalinidad ó conociendo el pH y la salinidad (Strickland y Parsons, 1978). 1.05 - factor para considerar que el 14C tiene mas masa que el 12C y es asimilado 5% mas despacio 1000 - para transformar mg C L-1 h-1 en mg C m-3 h-1. N – tiempo de incubación en horas

Rb – Blanco con filtración luego que se adiciona el inoculo a la muestra

Ri – adición de cantidad conocida de inoculo al liquido de centelleo

Tiempo de incubación–Que medimos?Tiempo de incubación–Que medimos?

Concentración del inoculoConcentración del inoculo

Lavado del materialLavado del material

Cortos periodos de incubación (hasta 2 hs): P >> R PPB

Largos periodos de incubacion (2-6 hs): P > R PPN

Periodos >>> largos (hasta 24 hs): P = R Producción Neta de la Comunidad y aumento de biomasa

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