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  1. FOTOSINTESIS

  2. Temas Generalidades sobre el metabolismo fotosintético Foto asimilación de Carbono Fluorescencia Métodos para evaluar Fotosíntesis Curvas Fotosíntesis x Irradiancia

  3. FLUJO DE ENERGIA Calor (17 – 18%) Luz (100%) Fotosíntesis (~ 80%) Fluorescencia (1 – 2%)

  4. Cloroplasto Donde Ocurre? • Cloroplastos Celula Vegetal Corte de una Hoja Hoja LM 2,600  Cloroplasto O2 CO2 Membrana Externa TEM 9,750  Membrana Interna Stroma Thylakoid Granum Stroma Thylakoid space Grana

  5. Stroma Membranas Internas & externas Granum Cloroplasto 1 tilacoide Estructura del Cloroplasto • 3 compartimientos: • Espacio “inter membranas” • Estroma: fluido compuesto de azucares que contiene los tilacoides • Espacio de los tilacoides • Tilacoides: membranas interconectadas • Grana: componen los tilacoides; grupos de discos (membranas) donde ocurre la fotosintesis

  6. 6 CO2 12 H2O Reactivos: Productos: C6H12O6 6 O2 6 H2O Plantas producen O2 a partir del agua

  7. La fotosintesis es un proceso redox Reducción • e- mueven de una molecula a otra • H2O se oxida • CO2 se reduce • e- gana energia potencial Fotosintesis Oxidación

  8. H2O CO2 Cloroplasto Light NADP+ ADP + P REACCIONES DE LUZ (tIlacoides) CICLO DE CALVIN (stroma) ATP Electrons NADPH O2 Azucar REACCIONES DE CLARO FOTOSINTESIS REACCIONES DE OSCURO (Ciclo de Calvin-Benson)

  9. Reacciones de Claro: Flujo de Electrones

  10. ANTENA DE PIGMENTOS

  11. TRANSFERENCIA DE ENERGIA

  12. En Resumen: Los fotones inciden inicialmente en los pigmentos accesorios 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) Longitud de Onda que permite llegar al primer estado de excitación (singlet excited state) Pigment Trap • 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.

  13. Clorofila-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.

  14. e- Ionizacion Estado Excitado e– Calor Energia del electron Foton Foton (fluorescencia) Ground state Molecula Clorofila La Física Calor Fluorescencia

  15. Diagrama Z Donorside Of PSII Acceptorside of PSII Donorside of PS I Acceptorside Of PSI

  16. Estructura del tilacoide y localización de los CR

  17. 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

  18. Números • Se requieren 4 moles de fotones para la síntesis de un mol de O2 + 2H+ (lumen) • Durante el transporte de 2 electrones entre el PSII y PSI se introducen 4H+ al lumen • 6H+ se bombean (ATPasa) a través de la membrana tilacoidal y se sintetizan: • 1.5 ATP • 1 NADPH

  19. Acoplamiento 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

  20. CO2 ATP NADPH Input CICLO DE CALVIN Output: G3P El Ciclo de Calvin-Benson-Bassham • Ciclo de Calvin: Ocurre en el estroma Usa C proveniente del CO2, e- del NADPH, 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)

  21. Ecuacion del Ciclo de Calvin

  22. 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. CO2 3 Input: 1 P 3 6 P P RuBP 3-PGA 6 ATP 3 ADP CICLO DE CALVIN P 6 ADP + 3 ATP 4 2 6 NADPH 6 NADP+ 6 P 5 P G3P G3P 3 Glucose and other compounds 1 Output: P G3P Ciclo de Calvin: paso a paso

  23. 2 1 • Paso : 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. CO2 3 Input: 1 P 3 6 P P RuBP 3-PGA 6 ATP 3 ADP CICLO DE CALVIN P 6 ADP + 3 ATP 4 2 6 NADPH 6 NADP+ 6 P 5 P G3P G3P 3 Glucose and other compounds 1 Output: P G3P Ciclo de Calvin: paso a paso

  24. 1 2 3 • Paso : 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. CO2 3 Input: 1 P 3 6 P P RuBP 3-PGA 6 ATP 3 ADP CICLO DE CALVIN P 6 ADP + 3 ATP 4 2 6 NADPH 6 NADP+ 6 P 5 P • Paso : 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. G3P G3P 3 Glucosa y otros compuestos 1 Output: P G3P Ciclo de Calvin: paso a paso

  25. 1 3 2 4 • Paso : 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. CO2 3 Input: 1 P 3 6 P P RuBP 3-PGA 6 ATP 3 ADP CICLO DE CALVIN P 6 ADP + 3 ATP 4 2 6 NADPH • 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. 6 NADP+ 6 P 5 P • Paso : 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). G3P G3P 3 Glucosa Y otros compuestos 1 Output: P G3P Ciclo de Calvin: paso a paso

  26. Números El resultado de la Fotosíntesis es: * Triosas fosfato sintetizan FRUCTOSA 6 FOSFATO y posteriormente GLUCOSA

  27. H2O CO2 Cloroplasto Luz NADP+ ADP P + RUBP Fotosistema II CICLO DE CALVIN (en stroma) Cadena Transporte Electrones 3-PGA Membranas Tilacoides Fotosistema I ATP Stroma Respiracion Celular NADPH G3P Celulosa Almidon O2 Azucares Otros compuestos organicos REACCIONES DE LUZ CICLO DE CALVIN REVISION

  28. 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)

  29. 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

  30. PP Bruta (produccion total) Materia organica usada por el fitoplancton como fuente de energia 70 – 90% 10-30 % PP Neta

  31. METODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESIS

  32. Produccion de Oxigeno (titulacion de Winkler o electrodos de oxigeno) Como medir? • Asimilacion de Carbono-14 (Steeman Nielsen, 1952) • Emision de Fluorecencia (PAM)

  33. 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) Evolución de Oxigeno

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

  35. 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 Botellas Clara y oscura en O2

  36. (1) NaH14CO3 El metodo de Carbono-14

  37. Concentración de fitoplancton en la muestra Inoculo Corriente de California : 0.3 mCi/ml (~4 mCi/ml) Cultivos: 0.2 mCi/ml

  38. Botellas Vial de Centelleo 20 ml DBO 100-250 ml

  39. Incubacion/Incubadoras In situ

  40. Incubadoras In situ

  41. Incubadoras In situ

  42. Incubadoras In situ-simulado

  43. Incubadoras Luz Artificial Lewis et al, 1983

  44. se guarda en Vial con 10 ml de liquido de centelleo Vapores de HCL

  45. Principios de medición de radiactividad Principales tipos de radiación: Partículas-a: 2p2n (nucleos de He) Partículas-b: electrones (e-) Partículas-g: fotones (hv) 14N7 + n 14C6 + p+ 14C614N7 + b (e-)+ neutrino • Autoradiografia (exposicion a una emulsion fotografica) • Contadores Geiger • Espectrofotometria de centelleo

  46. Principios de medición de radiactividad en muestras 14C e- e- e- e- SOLVENTE • Intensidad de la luz • Num. de emisiones de luz 200-300 nm FLUOR. • Registro de numero de conteos (desintegraciones) por nivel de energía (canales) 340-400 nm

  47. = CPM (conteos por minuto) = H E = CPM DPM = E PP = mg C asimilado/volumen/tiempo PP = mg C/m-3/h

  48. 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

  49. Tiempo de incubación–Que medimos? Consideraciones Finales • Lavado del material • Concentración del inoculo Cortos periodos de incubación (hasta 2 hs): P >> RPPB Largos periodos de incubacion (2-6 hs): P > RPPN Periodos >>> largos (hasta 24 hs): P = RProducción Neta de la Comunidad y aumento de biomasa