UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR

LIC. EN CIENCIAS NATURALES Y MEDIO AMBIENTE

BIOLOGÍA CELULAR

PRÁCTICA SOBRE REACCIONES FOTOSINTÉTICAS DEPENDIENTES DE LUZ

LIC. GUSTAVO J. ROENES GALÉ

Docente adscrito al Dpto. de Ciencias Naturales UPC.

MSc. Rolando Hernández Lazo.

Docente Asociado al Dpto de Ciencias Naturales UPC.

Fecha de realización: __________________________

Grupo: ______________________________________

OBJETIVOS:

Objetivo General:

Establecer la relación que existe entre los pigmentos vegetales, la luz y la producción de

oxígeno en las reacciones fotosintéticas lumínicas.

Objetivos Específicos:

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Para el Estudiante: Proponga los objetivos específicos relativos al desarrollo de la

práctica. Tenga en cuenta los parámetros indicados para la redacción de los mismos.

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INTRODUCCIÓN

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Para el estudiante: Elabore la introducción de la práctica de laboratorio siguiendo los

parámetros sugeridos.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Visión general de la fotosíntesis:

Los organismos fotosintéticos productores de O2 usan energía lumínica, CO2 y agua para

producir la materia orgánica necesaria para su alimentación. El O2 que liberan se forma con

átomos provenientes del agua.

La fotosíntesis se realiza en dos etapas: la lumínica, en la que se utiliza la energía de la luz

para sintetizar ATP y NADPH, y la fijadora de carbono, que utiliza los productos de la

primera etapa para la producción de azúcares.

Fig. 1: Esquema global de la fotosíntesis

La fotosíntesis ocurre en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones

que fijan carbono.

En las reacciones dependientes de la luz, la absorción de la energía lumínica por las

moléculas de clorofila a en la membrana del tilacoide inicia un transporte de electrones y la

formación de un gradiente de protones a partir del cual se produce ATP. Durante este

proceso, la molécula de agua se escinde y se liberan moléculas de oxígeno gaseoso. Los

electrones son finalmente absorbidos por el NADP+ y se forma NADPH.

En las reacciones que fijan carbono, que ocurren en la estroma del cloroplasto, se sintetizan

glúcidos a partir del CO2 y el hidrógeno que transporta el NADPH. Este proceso utiliza la

energía del ATP y el NADPH producidos en la etapa dependiente de la luz y, como veremos

más adelante, implica una serie de reacciones que constituyen el ciclo de Calvin.

La fotosíntesis se realiza en los cloroplastos: los tilacoides. En los eucariontes, la fotosíntesis

se realiza en los cloroplastos, organelas que poseen una membrana externa y otra interna. La

membrana interna rodea una solución densa, el estroma, donde se encuentran las

membranas tilacoidales, que tienen forma de sacos aplanados dispuestos en forma apilada.

Las reacciones de la etapa lumínica ocurren en los sacos tilacoides y las que fijan el carbono,

en el estroma.

Los sacos tilacoidales de los procariontes fotosintéticos pueden formar parte de la membrana

celular, estar aislados en el citoplasma o constituir una estructura compleja de la membrana

interna.

La naturaleza de la luz:

El modelo ondulatorio de la luz permite a los físicos describir matemáticamente ciertos

aspectos de la luz y el modelo fotónico permite otro tipo de cálculos y predicciones

matemáticas. Estos dos modelos ya no se consideran opuestos uno al otro, sino

complementarios, en el sentido de que es necesaria una síntesis de ambos para una

descripción completa del fenómeno que conocemos como luz.

Los sistemas vivos absorben la energía lumínica mediante el uso de pigmentos. Los

organismos fotosintéticos tienen distintos tipos de pigmentos: la clorofila, que se encuentra

en los sacos tilacoides, los carotenoides y las ficobilinas. Existen diferentes tipos de clorofila:

la clorofila a, que colecta energía luminosa y está involucrada en la transformación de

energía lumínica en química; la clorofila b, presente en las plantas y las algas verdes, y la

clorofila c de las algas marrones.

La correspondencia entre el espectro de absorción de las clorofilas a y b y el espectro de

absorción de la fotosíntesis indica una estrecha relación entre ésta y aquéllas (en ambos casos

se observan dos picos, uno en la zona del rojo y otro en la del azul). Los carotenoides

absorben en forma muy eficiente longitudes de onda que no son absorbidas por la clorofila.

El transporte de electrones: los fotosistemas y la ATP sintetasa

Los organismos fotosintéticos poseen dos fotosistemas, cada uno formado por una antena

colectora de luz y un centro de reacción fotoquímico que incluye una molécula de clorofila

Ambos fotosistemas se diferencian por el pico de absorción de la clorofila: el Fotosistema I lo

presenta a 700 nm; el Fotosistema II, a 680 nm.

En un flujo no cíclico de electrones, los dos fotosistemas trabajan en forma simultánea y

continua. Así se produce un flujo permanente de electrones desde el agua al Fotosistema II,

de éste al Fotosistema I y de este último al NADP+.

Durante el transporte de electrones, los protones presentes en la estroma son enviados al

espacio intertilacoide, creando un gradiente cuya energía se utiliza para sintetizar ATP. La

síntesis de ATP a partir de energía lumínica se conoce como fotofosforilación.

Cuando los dos fotosistemas trabajan en forma independiente, se forma un flujo cíclico de

electrones. En este caso no se forma NADPH, pero se sintetiza ATP. Es una ruta alternativa

que permite regular la cantidad de NADPH y ATP formados en presencia de luz y,

probablemente, aumenta la eficiencia en la formación de ATP cuando coexiste con el flujo

no cíclico de electrones.

Fig. 2: Los fotosistemas trabajan juntos

La energía lumínica atrapada en la molécula reactiva de la clorofila a del Fotosistema II lanza

los electrones a un nivel de energía superior. Estos electrones son reemplazados en la

molécula de clorofila a por electrones que provienen indirectamente de moléculas de agua

que se escinden liberando además protones (H+) y gas oxígeno. Los electrones pasan desde el

aceptor de electrones primario, a lo largo de una cadena de transporte de electrones, a un

nivel de energía inferior, el centro de reacción del Fotosistema I. A medida que pasan a lo

largo de esta cadena de transporte de electrones, se forma un gradiente de protones a partir

del cual se sintetiza ATP. La energía lumínica absorbida por el Fotosistema I lanza los

electrones a otro aceptor primario. Desde este aceptor, los electrones son transferidos

mediante otros transportadores al NADP+ y se forma NADPH. Los electrones eliminados del

Fotosistema I son reemplazados por los del Fotosistema II. El ATP y el NADPH representan

la ganancia neta de las reacciones que capturan energía.

DESARROLLO METODOLÓGICO

1. Separación de los pigmentos fotosintéticos de la hoja:

En el experimento siguiente se usará cromatografía de papel para separar los pigmentos

fotosintéticos presentes en las hojas de espinaca. La cromatografía separa los compuestos

químicos por su afinidad con un solvente específico. Mientras mayor afinidad tenga el

pigmento por el solvente, más rápido se moverá y mayor distancia recorrerá en el papel. El

color verde profundo de la hoja no indica cuáles ni cuántos pigmentos hay en los

cloroplastos.

1.1. Materiales, insumos y reactivos por grupo de trabajo

Papel de cromatografía (en su defecto papel filtro)

Lápiz

Tubos de ensayo medianos

Solución de cromatografía (45 ml éter de

petróleo + 5 ml de acetona)

Gradillas para tubos de ensayo

Hojas frescas de espinaca

Ganchos clips

Tapones de corcho

1. 2. Procedimiento

1. Prepare su “cámara de corrida”. Consiga un corcho para el tubo de ensayo que

usará e insértele un gancho clips en la parte inferior (Figura a).

2. Cuelgue un pedazo de papel del gancho.

3. Verifique que el papel quepa dentro del tubo pero sin tocar el fondo.

4. Con un lápiz marque 1 cm en la punta inferior del papel de cromatografía (Figura

b).

(a) (b)

5. Mida hasta dónde llega el papel de cromatografía dentro del tubo y transfiera la

marca de 1 cm al tubo.

6. Coloque una hoja de espinaca sobre el área del papel de cromatografía, donde

hizo su marca y transfiera con una moneda el pigmento al papel. Ruede la

moneda varias veces sobre la hoja hasta obtener una línea oscura de pigmento

(Figura c).

7. Añada al tubo solución de cromatografía hasta llegar un poco por debajo de la

marca que hizo en el tubo. Asegúrese que la solución no llegue a la línea de

pigmento en el papel.

8. Coloque su tubo en una gradilla o en un envase donde se mantenga derecho.

9. Coloque el papel de cromatografía dentro del tubo de ensayo sin que toque el

fondo del tubo (Figura d). Recuerde que la solución de cromatografía no debe

llegar al macerado.

10. Deje correr la cromatografía (Figura f) hasta 2 cm del borde superior y deténgala

removiendo el papel del tubo.

11. Marque hasta donde llegó la corrida y deje secar el papel.

12. Identifique las bandas de pigmentos y dibuje su corrida.

(c) (d (f)

13. ¿Qué colores se observan?

14. ¿En qué orden aparecen los pigmentos incluidos en la Tabla 1?

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15. ¿Qué pigmento tuvo más afinidad hacia el solvente? ¿Por qué?

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16. ¿Cuál es el rol de los pigmentos accesorios en la fotosíntesis?

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1.3. Análisis de resultados

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Para el estudiante: Realice una discusión de los resultados obtenidos a partir de la

explicación de los hechos observados, teniendo en cuenta los elementos conceptuales del

marco teórico de la guía o haciendo uso de bibliografía especializada.

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2. Producción de oxigeno en la fotosíntesis:

2.1. Materiales, insumos y reactivos por grupo de trabajo

Ramas de elodea

Tubos de ensayo grandes

Bicarbonato de sodio

Agua destilada

Reflector eléctrico

2. 2. Procedimiento

1. A un litro de agua destilada, agregue dos cucharadas de bicarbonato de sodio

(NaHCO3), agite y deje reposar.

2. Llene con la solución de bicarbonato un tubo de ensayo hasta el borde e introduzca

una ramita de elodea.

3. Invierta el tubo de ensayo en un vaso de precipitado de 250 ml que contenga

solución de bicarbonato hasta la mitad de su capacidad, teniendo cuidado de no

derramar el contenido del tubo, ni que entren burbujas de aire, tal como se muestra

en la figura 3.

Figura 3

4. Coloque el montaje cerca de un reflector o de una ventana bien iluminada por 30

minutos.

5. Dibuje lo observado.

6. Repita el mismo procedimiento, colocando el nuevo montaje en un sitio oscuro.

Haga el seguimiento por el mismo tiempo del anterior.

2.3. Resultados

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¿Qué tipo de gas ocupa la parte superior de los tubos usados en la experiencia?

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2.4. Análisis de resultados

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Para el estudiante: Discuta los resultados obtenidos en este ensayo, teniendo en cuenta los elementos conceptuales y procesos propios de las reacciones lumínicas.

Para el estudiante: Realice una descripción de los resultados obtenidos en ambos casos.

De acuerdo a sus observaciones, establezca en cuál de los tubos hay mayor

desprendimiento de gas.

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CUESTIONARIO

1. ¿Cómo afecta la intensidad de la luz el proceso fotosintético?

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2) ¿Cómo afecta la calidad de la luz el proceso fotosintético?

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3) ¿Cómo se explica el hecho de que un pigmento se ubique en el extreme superior del

cromatógrafo por encima de los demás?

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BIBLIOGRAFÍA

7. Solomon, Berg & Martin (2004). Biology, 7th Ed. Brooks Cole Publ.

8. http://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis

9. http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/education/learn.html

10. http://www.life.uiuc.edu/govindjee/photoweb/

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

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PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO

1. Para el Estudiante:

NOMBRE DE LOS

ESTUDIANTES DEL GRUPO ITEM DE EVALUACIÓN VALOR

Usa atuendo requerido para estar en el

laboratorio

Llega puntual al laboratorio

Es proactivo y dedicado en su quehacer

práctico

Mantiene el orden y la disciplina en el

laboratorio

Intercambia opiniones con sus compañeros de

manera respetuosa y cordial

Usa atuendo requerido para estar en el

laboratorio

Llega puntual al laboratorio

Es proactivo y dedicado en su quehacer

práctico

Mantiene el orden y la disciplina en el

laboratorio

Intercambia opiniones con sus compañeros de

manera respetuosa y cordial

Usa atuendo requerido para estar en el

laboratorio

Llega puntual al laboratorio

Es proactivo y dedicado en su quehacer

práctico

Mantiene el orden y la disciplina en el

laboratorio

Intercambia opiniones con sus compañeros de

manera respetuosa y cordial

Usa atuendo requerido para estar en el

laboratorio

Llega puntual al laboratorio

Es proactivo y dedicado en su quehacer

práctico

Mantiene el orden y la disciplina en el

laboratorio

Intercambia opiniones con sus compañeros de

manera respetuosa y cordial

Usa atuendo requerido para estar en el

laboratorio

Llega puntual al laboratorio

Es proactivo y dedicado en su quehacer

práctico

Mantiene el orden y la disciplina en el

laboratorio

Intercambia opiniones con sus compañeros de

manera respetuosa y cordial

Usa atuendo requerido para estar en el

laboratorio

Llega puntual al laboratorio

Elaboran su pre-informe y organizan sus

materiales de trabajo, previamente antes de

ingresar al laboratorio.

Mantiene el orden y la disciplina en el

laboratorio

Intercambia opiniones con sus compañeros de

manera respetuosa y cordial

2. Para el grupo:

ITEM DE EVALUACIÓN VALOR

Elaboran los objetivos de la práctica de manera correcta de acuerdo a los

parámetros establecidos.

Redactan la introducción de la guía con base en los principios establecidos en la

metodología de la investigación.

Describen sus resultados de manera clara teniendo mediante un discurso

contextualizado y coherente a partir de hechos reales observados.

Demuestran una actitud científica mediante los análisis construidos a partir de

una hipótesis acertada y el uso de elementos conceptuales teóricos, con el fin de

explicar los hechos observados.

Son proactivos y dedicados en su quehacer práctico