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FOTOSINTESIS
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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
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Fotosíntesis(~ 80%)
Calor(17 – 18%)
Fluorescencia(1 – 2%)
Luz(100%)
FLUJO DE ENERGIA
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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
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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
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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
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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
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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
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Reacciones de Claro: Flujo de Electrones
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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.
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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.
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e- Ionizacion
Calor
Fluorescencia
En
erg
ia d
el
ele
ctr
on
Foton
Estado Excitado
Calor
Foton(fluorescencia)
Ground state
MoleculaClorofila
e–
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Diagrama ZDiagrama Z
Donor sideOf PSII
Acceptor side of PSIIDonor side of PS I
Acceptor sideOf PSI
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Estructura del tilacoide y Estructura del tilacoide y localización de los CRlocalización de los CR
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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
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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
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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
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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:
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iPADPNADPHOHC
ATPHNADPHCO
33206/1
322
26126
2
Ecuacion del Ciclo de CalvinEcuacion del Ciclo de Calvin
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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
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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
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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.
2Paso : Reduccion. - NADPH es usado (oxidado) para reducir 3-PGA al azuzar rico en energia 3-PGA.-ATP es usado como fuente de energia.
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
Ciclo de Calvin: paso a pasoCiclo de Calvin: paso a paso
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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).
2Paso : Reduccion. - NADPH es usado (oxidado) para reducir 3-PGA al azuzar rico en energia 3-PGA.-ATP es usado como fuente de energia.
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
Ciclo de Calvin: paso a pasoCiclo de Calvin: paso a paso
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NúmerosNúmeros
El resultado de la Fotosíntesis es:
)/3(6896693 2 DHAPPGatoTriosafosfNADPPiADPHNADPHATPCO
* Triosas fosfato sintetizan FRUCTOSA 6 FOSFATO y posteriormente GLUCOSA
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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
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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)
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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
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PP Bruta(produccion total)
Materia organica usada por el fitoplancton como fuente
de energia 70 – 90%
10-30 %PP Neta
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2 2 6 12 6 26 6 6LUZNutrientes
CO H O C H O O
METODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESISMETODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESIS
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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)
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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)
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Concentración inicial de Oxigeno/CO2 Incubación por periodo conocido Determinación de concentración final después de periodo en exposición a luz
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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
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14CO 2Incubador
Filtrado
Contador de Centelleo Liquido Vial de centelleo
Vapores deHCL
Filtro
NaH14CO3
(1)
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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
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DBO100-250 ml
Vial de Centelleo20 ml
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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
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Figura 7.- Canasta de incubación. Permite incubar varias botellas a la misma Z
In situ
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Figura 8.- Incubador del tipo in situ Araña
In situ
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Figura 9.- Incubador de luz natural
In situ-simulado
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Figura 14. Detalles de la vista total del Fotosintetrón.
Lewis et al, 1983
LuzArtificial
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Vapores de HCL
se guarda en Vial con 10 ml de liquido de centelleo
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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
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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)
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= 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
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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
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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