AREA DE CULTIVOS:

FOTOSNTESIS

ING FERNANDO S. GONZALES HUIMAN2014UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA FACULTAD DE AGRONOMIA

CONCEPTOEs un proceso fisiolgico por la cual las plantas convierten la energa luminosa en energa qumica potencial almacenada en productos orgnicos.La ecuacin universal de la fotosntesis:

6CO2+6H2O+LUZ C6H12O6+ 6O2

COMPOSICIN DE LA ATMSFERAEl aire esta constituido por: 21% de oxgeno, 78% de nitrgeno y ms de 1% de compuestos gaseosos y slidos. El bixido de carbono est presente en el aire en una concentracin de 0,035 %.

METABOLISMO DEL CARBONOLa cantidad de carbono fijado por la fotosntesis es espectacular, como lo demuestran las cifras de la produccin anual de materia orgnica seca, estimada en 1,55 x 1011 toneladas, con aproximadamente 60% formada en la tierra, el resto en ocanos y aguas continentales.Una hectrea de pino o eucalipto atrapa 9 toneladas anuales de carbn de la atmsfera, las que transforman en oxgeno.

METABOLISMO DEL CARBONO

FOTOSINTESIS

IMPORTANCIA DE LA FOTOSNTESISLa fotosntesis fue causante del cambio producido en la atmsfera primitiva, que era anaerobia y reductora.La sntesis de materia orgnica. Produce la transformacin de la energa luminosa en energa qumica, necesaria y utilizada por los seres vivos. En la fotosntesis se libera oxgeno, que ser utilizado en la respiracin aerobia como oxidante. Tambin depende la energa almacenada en combustibles fsiles como carbn, petrleo y gas natural. El equilibrio necesario entre seres auttrofos y hetertrofos no sera posible sin la fotosntesis. SE PUEDE CONCLUIR: Que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosntesis.

Experiencias de Joseph Priestley: la falta de aire apagaba la llama de una vela.Experiencias de Priestley

Experiencias de Joseph Priestley: la falta de aire produca la muerte de un ratn.Experiencias de Priestley

Experiencias de Joseph Priestley: la muerte del ratn no se produca si, junto con l, se situaba una planta.Experiencias de Priestley

LUZ CO2 H2OCLOROPLASTOSTILACOIDESMEMBRANA TILACOIDALFOTOSINTATOSFOTOSIST. IFOTOSIST. IINADPH, ATPESTROMASCICLO DE CALVINCO2SALES MINERALES, AGUA, OTROSVACUOLA(RESERVA) O2FASE OSCURAFASE LUMINOSAMEDIO AMBIENTE OTROS PROCESOS

H2O

LUMEM

O2

RADIACIN SOLAR

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

DIFINICION Y CARACTERISTICAS DE VARIAS REGIONES DE LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ

DIFINICION Y CARACTERISTICAS DE VARIAS REGIONES DE LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ

ColorRango de longitud de onda (nm)Longitud de onda representativaFrecuencia (Ciclos/S)o hertziosEnerga(KJ/mol)Ultravioleta74014002.14 x 101485

Desde las 12.00 m hasta las 3.00 pm10, 11 am--4, 5 pm6-9 am y de 6 pmDesde las 7.00 pm hasta las 5.00amVerde - azulVerde-marillolAnaranjado, rojo, amarillo

ABSORBANCIA DE LUZ POR LOS PIGMENTOS FOTOSINTTICOS

CLULA VEGETAL

CLOROPLASTO

PIGMENTOS FOTOSINTETIZANTESClorofilas: a, b, c. d.

Carotenos: caroteno, Xantfilas, lutena, Licopeno

Ficobilinas: Ficoeritrina, Ficocianina

ESTRUCTURA MOLECULAR DE LAS CLOROFILAS A y B

CLOROFILA A

CLOROFILA B

DIFERENCIAS ENTRE LAS CLOROFILAS A Y B

CLOROFILA AC55H72O5N4MgR- CH3VERDE-AZULADOES MAS ABUNDANTE EN PLANTAS SUPERIORES

CLOROFILA BC55H70O6N4MgR COOHVERDE-AMARILLOMENOS ABUNDANTE

PLANTAS ROJASEl color rojo se debe a un pigmento no fotosinttico llamado antocianina, el cual no contiene hierro ni ningn otro metal, por lo que el contenido de hierro del agua no influye en el color de la planta, contrario a lo que mucha gente piensa y a lo que en muchos sitios esta descrito. A diferencia del resto de pigmentos, la antocianina no se encuentra en los cloroplastos sino en el citosol. Absorbe con gran eficacia la luz de la regin ultravioleta, se piensa que acta como protector solar para la planta, pues las plantas de coloracin rojiza son originarias de zonas donde la iluminacin es intensa y sin este pigmento se daaran.

ETAPAS DE LA FOTOSINTESIS

REACCIN LUMINOSA

ACTIVACIN DE LA FOTOSNTESIS FASE FSICA: 10-15 a 10-16 segundos

Fotosistema Cada fotosistema contiene carotenos, clorofilas y protenas. Estas molculas captan la energa luminosa y la ceden a las molculas vecinas presentes en cada fotosistema hasta que llega a una molcula de clorofila a denominada molcula diana (centro de reaccin)Las diferentes sustancias captan luz de diferente longitud de onda. De esta manera, gran parte de la energa luminosa es captada.

Transferencia de excitnMolculas de clorofilasElectrones en el estado fundamentalFOTNElectrones en estado excitado

Molculas de clorofilasFOTNMolculaaceptora deelectronesSe cede el electrn excitadoa la molcula aceptora de electrones. La clorofila del CRqueda con carga positiva.La molcula donadora cede un electrn a la clorofila del CR para que recupere su estado normal.Transferencia de excitnElectrones en el estado fundamentalMolculadonadora deelectronesFoto-oxidacinMolcula de clorofilas delCentro de Reaccin++

Los pigmentos accesorios (carotenos) presentes en los complejos antena absorben la energa luminosa y la transfieren, a travs de las clorofilas, hasta el centro de reaccin, donde una molcula especial de clorofila se excita y pierde un electrn de alta energa.COMPLEJO ANTENAEL Complejo AntenaMolculasaceptorasde e-ClorofilasCarotenosCENTRO DEREACCIN

CLOROFILA aCLOROFILA b (% ms bajo)CLOROFILA P-700CAROTENOIDESCLOROFILA aCLOROFILA bCLOROFILA P-680CAROTENOIDESFOTOSISTEMA I (FS I)FOTOSISTEMA II (FS II)PRINCIPALES PIGMENTOS DE LOS FOTOSISTEMASCOMPLEJO ANTENACENTRO DEREACCINMOLCULADONADORAMOLCULAACEPTORATransferencia de electronesTransferencia de la excitacin

FOTOSISTEMA IIFOTOSISTEMA IP-700Aceptor primarioPqComplejo decitocromosPc (donador primario)FdAceptor primarioNADP+reductasa2 e-2 e-2 fotones2 fotonesCADENA DE TRANSPORTENADP+ + H+NADPHH2O2H+ + O2 Donador primarioPq: plastoquinonaPc: plastocianinaFd: ferredoxinaEo (V)P-6802 e-2 e-

NcleoEstadofundamentalde energaElectrnEstadoexcitadode energaFotn de una l de una dada absorbido por un electrn

La energa absorbida se pierde en forma de luz de l mayor. El electrn vuelve a su estado normal.Prdida de Energapor FluorescenciaElectrn en el estadofundamental

Electrn en el estado fundamental en el tomo AElectrn en un estado excitado en el tomo BPrdida de Energa por Transferenciade ExcitnLa energa absorbida se se cede a otro tomo de una molcula cercana. En la primera molcula el electrn vuelve a su estado fundamental mientras que en la segunda queda en un estado excitado.

+tomo con un electrn menostomo con un electrn msPrdida de Energa por Foto-oxidacinEl electrn excitado es captado por otro tomo aceptor. El primer tomo se queda sin un electrn (+) y el segundo tiene uno extra ().

ESTROMALUMENFOTOSISTEMA IIFOTOSISTEMA ICit bfP700H2O2H+ + O22H+2eP680P680PhPh2eF = FeofitinapQ = PlastoquinonaFeSFeS = FerrosulfoprotenaP700FeSFFd = Ferredoxina2eNADP red = NADP reductasaFeS2eNADP+ + H+NADPHPCPC = Plastocianina2e2ePC2H+ELA = Enzima Lisante de AguapH = 5pH = 8

LUMEN(espaciointratilacoidal)ESTROMAATP sintetasaMEMBRANA TILACOIDAL3 H+(2 H+)ADPATPPi+FOTOFOSFORILACIN: Formacin de un enlace rico en energa.

ADP + H3PO4 ATP + H2O

En la fotofosforilacin la formacin del ATP est inducida por la energa lumnica.

Por cada 3 H+ (2 H+) bombeados a travs de la ATP sintetasa se forma una molcula de ATPLa Fuerza Protnmotriz. La energa liberada por las reacciones de oxidacin en un sistema de transporte electrnico se emplea para bombear protones de un lado a otro de la membrana donde se encuentre dicha cadena (del lumen al estroma en el caso de la membrana tilacoidal). Los protones pueden volver a atravesar la membrana a travs de un complejo enzimtico denominado ATP sintetasa, que aprovecha dicho flujo electrnico para sintetizar ATP.pH = 8pH = 5

RELACIN: FOTOSISTEMA I y II FASE FOTOQUMICA: 10-10 a 10-3

FOTOSISTEMA I

FLUJO CCLICO DE ELECTRONES EN EL FOTOSISTEMA I

LuzEstromae ADPATPInterior del tilacoide3H+La fotofosforilacin cclica

estromaH2 O3H+3H+Interior del tilacoide O2 H+La fotofosforilacin acclica (FII)ADPATPNADP+NADPH

estromaInterior del tilacoideLa fotofosforilacin acclicaADPATPNADP+NADPH

Luzestromae ADPATPInterior del tilacoide3H+La fotofosforilacin cclica

FotosistemaCaptacin de la energa luminosa por los pigmentos fotosintticos de los fotosistemas.

2) Bombeo de protones generado por el transporte de electrones.

FOTOLISIS DEL AGUA

Fotolisis del agua3) Ambos procesos generan un aumento del pH en el interior de los tilacoides.Transporte de electrones

4) La salida de los protones por las ATPasas genera la sntesis del ATP

2 electrones2 protones1 tomo de oxgeno5) Los electrones se recuperan por la fotolisis del agua

BURBUJAS DE O2 EN UNA PLANTA ACUTICA

FASE OSCURA

FASE BIOQUMICA 10-4 A 10-2 seg

CICLO DE CALVIN (C-3)CICLO HSK (C-4)

CO2 + 2 NADPH + 3 ATP CH2O + 2NADP+ + 3 ADP + 3Pi

1 Transformacin de la energa luminosa en energa qumica contenida en el ATP2 Descomposicin del agua en protones y electrones (2H) y oxgeno (O).3) Reduccin del dixido de carbono y sntesis de glucosa.Visin de conjunto

Fase oscura o ciclo de Calvin

4. Polimerizacin de la glucosa formando almidnVisin de conjunto

La sntesis de Almidn se realiza en el cloroplasto mientras que la sntesis de sacarosa se lleva a cabo en el citoplasma

CICLO DE CALVIN (C-3)

12 cido 3-fosfoglicrico+ 6 H2O6 CO26 RuDP12 cido 1,3-difosfoglicrico12 ATP12 NADPH12 Pi12 Gliceraldehido-3-fosfatoGLUCOSARuta de las Pentosas fosfato6 ATP6 Ribulosa 6-fosfatoREGENERACIN12 ADPFIJACINREDUCCINCARBOXILACIN12 NADP+6 ADP

PLANTAS C 312 ATP12 ADP

SNTESIS DE GLCIDOS, PROTENAS Y LPIDOS Figura 12. Sntesis de glcidos, protenas y lpidos.2.7.3. PLANTAS CON METABOLISMO C4

FOTORESPIRACIN

CO2O2CO2O2FOTOSINTESISFOTORRESPIRACION

Anatoma de las hojas: (a) Plantas C3 y (b) plantas C4

CLOROPLASTOPEROXISOMAMITOCONDRIA2 Ribulosa 1,5-difosfato (5C)Glicerato (3C)2 Glicolato (2C)2 H2OATPADP2O2Hidroxipiruvato (3C)Serina (3C)NADH2 O22 GlutamatoGlicina (2C)Serina (3C)NAD+NADHH4-folatoMetilenoH4-folatoFotorrespiracin o ciclo C23-fosfoclicerato (3C)+

CICLO HSK (C- 4)

Esquema operativo del funcionamiento de la ruta auxiliar C4 para la asimilacin del carbono

Plantas C4Clula de lavaina del hazClula delmesfiloEspacioareoOxalacetatoAMP + PPiATP + PiPEPPiruvatoMalatoNADPHNADP+MalatoPiruvatoNADPHNADP+CO2PGARuBPALMIDNSACAROSACiclo deCalvin

OxalacticoMlicoCLOROPLASTONADPHNADP+MlicoPirvicoNADP*NADPHCO2Ciclo deCalvinCLOROP.MITOCONDRIACLOROP.AsprticoOxalacticoGlutamatoa-cetoglutaratoAsprticoOxalacticoGlutamatoa-cetoglutaratoNADHNAD+MlicoNADHNAD+PirvicoPirvicoPirvicoCO2CO2CO2PiPEP carboxilasaATPAMPPEPCLULA LA VAINA DEL HAZ: CITOPLASMAC4: CLULA DEL MESFILO: CITOPLASMA

PLANTAS C 4

REACCIONES DEL METABOLISMO ACIDO DE CRASSULCEAS (MAC)

CAM: OSCURIDAD (Noche)LUZ (Da)Asimilacin delCO2 atmosfricoa travs de losestomas:acidificacinoscuraDescarboxilacindel malato; almacenado yrefijacin del CO2:acidificacindiurnaLos estomas abiertospermiten la entrada de CO2 y la prdida de H2OLos estomas cerradosimpiden la entrada de CO2 y la prdida de H2OClulasepidrmicasClulasepidrmicasClula del mesfiloClula del mesfiloVacuolaVacuolaPlastosPlastosHCO3PEPOxalacetatoPiPEP carboxilasaAlmidnTriosa FosfatoNADHcidoMlicocidoMlicoMalatoPiruvatoAlmidnCO2Ciclo deCalvin__

Salida de productos de la fotosntesis con transportador fosfatoCloroplastoCitosolestromaenvolturaInt.Ext.Triosa-P2 PiCarrier-P2 Triosa-PFructosa 1,6diPC02Fructosa 6PSacarosa PUDP glucosaPiPiPiH2OCiclo de Calvin

Vaso de xilemaTubo cribosoElemento cribosoClula acompaanteClula FuentePared celularVacuolaCloroplastoClula Sumidero = - 0.6 MPaP = - 0.5 MPa = - 0.1 MPa = - 0.8 MPaP = - 0.7 MPa = 0.1 MPaSacarosaH2OH2O = - 1.1 MPaP = 0.6 MPa = - 0.1 MPaLa carga activa de solutos en los elementos cribosos produce un aumento de la presin osmtica, el agua entra en las clulas lo que produce un incremento de la presin de turgencia H2O La descarga activa de solutos desde el floema disminuye la presin osmtica, el agua sale de las clulas y la presin de turgencia disminuye. = - 0.4 MPaP = 0.3 MPa = - 0.7 MPaHiptesis de Mnch del flujo a presin

Particin de la Energa solar incidenteRadiacin solar total60 % Radiacin no absorbidaReflexin-transmisin (8 %)Disipacin calrica (8%)Metabolismo (19%)40% Absorbida32%24%Carbohidratos (5%)

Rate of photosynthesisLA VELOCIDAD DE FOTOSINTESIS ES MAXIMA A MENOR PRESION PARCIAL DE OXIGENO

FOTSNTESIS SIN CLOROFILAS Ocurre en las halobacterias, que son organismos unicelulares en forma de bastones muy parecidas a la Escherichia coli. Estos organismos viven en aguas muy saladas y obtienen su energa oxidando las molculas orgnicas en presencia de oxgeno (organismo aerobio). Sin embargo, presentan en sus membranas celulares manchones prpuras que realizan fotosntesis como un mecanismo alternativo para obtener la energa cuando el oxgeno externo escasea mucho.

Lo ms curioso es que el pigmento prpura que se encuentra en las halobacterias no es una forma de clorofila, como en todos los organismos fotosintticos sino que es retinal. En los vertebrados el retinal se produce por oxidacin de la vitamina A y es el pigmento visual del ojo de estos organismos superiores. De ah que surja una pregunta obligada Qu relacin tienen estos manchones prpuras en organismos tan simples con los complejos mecanismos que desencadenan la visin humana?

Cmo ocurre? Al igual que en las plantas con clorofila el pigmento no acta slo. La molcula de retinal se une a protenas de la membrana celular y forma un complejo llamado bacteriorrodopsina. Cuando este complejo se "excita" la energa liberada bombea protones hacia el exterior de la clula, gradiente que estimula la fosforilacin del ADP a ATP que es la fuente de energa final para el desarrollo del organismo.

PRINCIPALES COMPUESTOS METABOLICOS EN LAS PLANTASCLOROPLASTO( FOTOSINESIS): Respiracin; C. de KrebsSintesis / TranslocacinCompuestosESTRUCTURALESCelulosaHemicelulosaPectinas.

CompuestosALMACENAMIENTOAlmidn Fructosas Protenas Lipidos

CompuestosACTIVIDAD CELULARAcidos nucleicosEnzimas Citocromos ClorofilaFosfolpidos.Glicolisis O2CO2CO2ATP, NADPCOMPUESTOSO2MITOCONDRIA

*