6to informe fotosintesis

INTRODUCCION El proceso de respiración en los organismos fotosintéticos se lleva acabo tanto en el día como la noche, consiste en la oxidación de moléculas complejas a moléculas sencillas aprovechando la energía liberada durante el rompimiento de las primeras, para su utilización en reacciones químicas que activan procesos metabólicos mediados por ATP, los cuales permiten el adecuado funcionamiento de las células constituyentes del organismo y por tanto del sistema biológico en sí. La respiración en las plantas, consiste en el intercambio de gases entre las células que la estructuran y la atmosfera. Las plantas toman oxígeno de la atmosfera y utilizan las reservas de hidratos de carbono para expulsar dióxido de carbono y agua en forma de vapor a la atmosfera. Se podría decir entonces, que la respiración en las plantas es un proceso “contrario” al de la fotosíntesis pues: En la respiración la planta toma O2 y desprende CO2; mientras que en la fotosíntesis la planta obtiene CO2 y desprende O2. La fotosíntesis por su parte es la conversión de materia inorgánica en materia orgánica transformada por la energía que aporta la luz. En este proceso la energía luminosa se transforma en energía química estable, siendo el (ATP) la primera molécula en la que queda almacenada. El ATP se usa para sintetizar moléculas orgánicas de mayor complejidad útiles en el metabolismo celular, así los organismos fotosintéticos son capaces de producir sus propios alimentos (Owen, 1986). Para realizar este fenómeno disponen de pigmentos cómo la clorofila, que es la encargada de absorber la luz adecuada para realizar este proceso. Consiste básicamente en la elaboración de azúcar a partir de CO2, minerales y agua con la ayuda de la luz solar. Un subproducto generado durante este proceso es el oxígeno (O2), que proviene de la descomposición del agua. Este subproducto puede ser utilizado a través de un serie de reacciones químicas como elemento aceptor de los protones y electrones generados durante el metabolismo de respiración aerobia. El resultado de dichas reacciones, es la formación de moléculas de agua, las cuales pueden ser expulsadas de la planta a través de las estomas de las hojas. En búsqueda de evidencias de estos fenómenos metabólicos, se realizó el presente experimento que mostraría la relación entre la respiración y la fotosíntesis. OBJETIVOS Demostrar que en la respiración se elimina CO2. Demostrar el proceso de la fotosíntesis a través de sus productos. Identificar los pigmentos que interviene en la fotosíntesis. REVISION DE LITERATURA Fenolftaleína: Es un indicador de pH que en disoluciones ácidas permanece incoloro, pero en presencia de disoluciones básicas toma un color rosado con un punto de viraje entre pH=8,2 (incoloro) a pH=10 (magenta o rosado).  Fotosíntesis: Es la conversión de materia inorgánica en materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz. En este proceso la energía lumínica se transforma en energía química estable, siendo el adenosín trifosfato (ATP) la primera molécula en la que queda almacenada esta energía química. Cromatografía: Es un método físico de separación para la caracterización de mezclas complejas, la cual tiene aplicación en todas las ramas de la ciencia. Es un conjunto de técnicas basadas en el principio de retención selectiva, cuyo objetivo es separar los distintos componentes de una mezcla, permitiendo identificar y determinar las cantidades de dichos componentes.  METODOS PRODUCCIÓN de CO2 H2O + CO2 ->H2CO3 NaOH + H2CO3--> Na2CO3 + H2O MEDICIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS SEPARACIÓN DE PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS POR CROMATOGRAFÍA DE PAPEL RESULTADOS Y DISCUSION Producción de CO2 Fenolftaleína: Sumando las descripciones de las propiedades físico - químicas de la fenolftaleína, propuestas por Martínez Joaquín (2009) y Beltrán Aurelio (1990), se puede decir: La fenolftaleína es un colorante orgánico muy utilizado como indicador ácido – base, adquiriendo una coloración rojo grosella en medio básico e incoloro en medio ácido. Para la fenolftaleína al pH al que se encuentra la mitad del indicador en su forma básica y la mitad en su forma ácida es 9,5, realizándose el cambio de color en un cierto intervalo de pH muy próximo a éste valor, determinado por la sensibilidad del ojo frente al cambio de color (8,3 – 10,0). Además la fenolftaleína también en medio fuertemente básico puede adquirir coloración incolora, debido a que la forma rosa reacciona con más base para dar lugar a una nueva forma incolora. Como puede verse todos los cambios de color son reversibles y mientras que la primera reacción, que da lugar a la formación de la especie coloreada; la segunda (a pH superior) da le da una tonalidad incolora a la solución, aunque no desaparece totalmente la coloración rosa. Según A. Skoog Douglas y M. West Donald (2002), los hidróxidos de sodio, de potasio y de bario, tanto en estado sólido como en disolución, absorben rápidamente dióxido de carbono de la atmósfera transformándose en el correspondiente carbonato: SEPARACION DE PIGMENTOS FOTOSINTETICOS Hojas verdes Hojas rojas Al moler las hojas en el mortero y agregar alcohol y bencina, podemos observar que la xantofila es la primera en subir en la cromatografía, seguida por la clorofila a y la clorofila b Después de moler las hojas y agregar alcohol y bencina podemos observar que la antocianina empieza a subir por el papel pero de manera muy lenta. La cromatografía sobre papel, está como fase estacionario y como fase móvil la bencina y el alcohol. Los pigmentos fotosintéticos que se hallan en las plantas van a ascender sobre el papel de celulosa (contiene aproximadamente 22% de agua) a diferentes velocidades y por ende se va a poder diferenciarlos ópticamente debido a los diferentes efectos ópticos que producen. Entre los pigmentos fotosintéticos la diferencia de recorridos entre carotenoides, xantofila y clorofilas se debió a… Los principales grupos de pigmentos vegetales son las clorofilas, de color verde, y los carotenoides, con clores del amarillo hasta el naranja. Todos estos pigmentos se encuentran en los tilacoides de los cloroplastos de las plantas superiores y de las algas verdes. Las clorofilas a y b son muy similares estructuralmente. El grupo metilo de la clorofila a hace que la misma tenga mayor solubilidad en los solventes no polares que la clorofila b. Esta característica hace posible su separación mediante técnicas basadas en los principios de la partición. Los carotenoides tienen 40 átomos de carbono y se dividen en carotenos, que solamente tienen carbono e hidrogeno, y las xantofilas, que además de carbono e hidrogeno tienen átomos de oxígeno. El oxígeno se encuentra en los extremos de la molécula como grupos hidroxilo que hacen que las xantofilas tengan mayor afinidad por los solventes polares que los carotenos, facilitando así su separación. La polaridad de un solvente depende de su estructura. En la tabla se muestra el orden en que incrementa la polaridad en los solventes más frecuentemente utilizados en cromatografía de columna, de papel y de placa. A continuación, se muestran imágenes de las estructuras de algunos pigmentos fotosintéticos. Fuente: Biología de Neil A. Campbell, Jane B. Reece, pagina 188. XANTOFILA CAROTENO Si observamos todas la estructura de la clorofila tanto la clorofila (a) y la (b), ambas poseen varios grupos oxigenados, lo cual indica que poseen polaridad pero la de la clorofila (b) es mayor que el de la clorofila (a), pues esta intercambia un grupo oxidrilo por un grupo metilo lo cual la hace menos polar. Las xantofilas son una familia de compuestos, las cuales poseen diferentes estructuras pero poseen otros elementos aparte de carbono e hidrogeno, lo cual en algunos casos aumente su polaridad. En la imagen (D) se observa la zeaxantina la cual es un tipo de xantofila que se encuentra en el maíz y se pueden notar en su estructura la presencia de dos grupos hidroxilo. En los carotenoides todos son estructuras hidrocarbonadas, carentes de otros grupos lo cual las hace apolares. En las imágenes (A, B y C) se puede notar que en su estructura solo presentan átomos de carbono e hidrogeno, lo cual las hace apolares. Para explicar porque es tan importante la polaridad de los solventes (fase móvil) y de la fase estacionaria tenemos que tener en cuenta la polaridad de los componentes de la mezcla a separar, pues esto va a influir mucho en la velocidad de desplazamiento que van a tener a lo largo del papel filtro, lo cual nos va a permitir posteriormente al reconocimiento de los componentes de la mezcla. La fase móvil está constituida por una mezcla de etanol (compuesto polar) y bencina (compuesto apolar), lo cual nos pone una interrogante, ¿Por qué la fase móvil es una combinación de un líquido apolar y polar? Bueno, la elección del solvente adecuado es muy importante para conseguir una buena separación. Muchas veces mezclas de 2 o 3 solventes de diferente polaridad resultan más eficientes que solventes puros. Pero también hay otro factor que influye mucho en esta decisión de combinar solventes de diferente polaridad, lo cual es que los componentes de la mezcla a separar son algunos polares y otros apolares. Esto quiere decir que los compuestos apolares necesitan de un solvente apolar para poder desplazarse a través de la fase estacionaria y los polares necesitan de un disolvente polar para poder desplazarse a través de la fase estacionaria. Ahora, estamos tomando en cuenta tanto la polaridad de los compuestos que conforman la mezcla a separar y de la fase móvil, pero si en ambos existen compuestos de polaridades diferentes entonces que regla debe de cumplir la fase estacionaria para desplazar compuestos de diferentes polaridades. La explicación a esto es que la fase estacionaria en este caso es la celulosa, que tiene una polaridad relativamente baja lo cual permite el desplazamiento de sustancias polares y apolares sobre su superficie, pero al tener baja polaridad los compuestos apolares van a desplazarse con mayor velocidad a través del papel filtro. Debido a esto es que al final del análisis cromatográfico de la hoja verde, los colores que se van a observar en la parte superior del papel filtro son las xantofilas y en la parte inferior la clorofila. (Pedro J. A, Cueva M, Juan J, León C y Alejandro Fukusaki) Factores que influyen en la velocidad de la fotosíntesis Los tres factores principales que influyen en la velocidad de la fotosíntesis son: la intensidad de la luz (La intensidad de la luz se define como la brillantez en forma de energía radiante, esta se mide en luxes o bujías. Pie, watts. La intensidad de la luz afecta el tamaño y la forma de las hojas), la concentración de dióxido de carbono y la temperatura. Al aumentar la intensidad de la luz, aumenta la velocidad de la fotosíntesis, siempre que haya suficiente dióxido de carbono y la temperatura no sea demasiado baja, La intensidad de la luz afecta el crecimiento de las plantas cuando no dispone la planta de la necesaria, puesto que afecta la tasa de actividad fotosintética, claro que no todas las especies de plantas necesitan la misma intensidad para su crecimiento. El factor de intensidad de la luz se puede investigar fácilmente mediante una planta acuática como la elodea, una planta de charca canadiense. Le ventaja que presenta una planta acuática es que se puede medir la velocidad de la fotosíntesis como la velocidad a la que se libera el oxígeno. Las burbujas de oxigeno se pueden contar fácilmente y así medir el volumen. Al cambiar la intensidad de luz el volumen de oxigeno producido durante un determinado intervalo de tiempo, a diferentes distancias, se puede medir. El cilindro de medición que contiene a la elodea se coloca en un recipiente donde mantenga una temperatura constante. De este modo nos aseguramos k solo estamos midiendo el efecto de las variaciones en la intensidad de la luz, pues la temperatura es uno de los factores que afectan la velocidad de la fotosíntesis. (http://www.educ.ar/sitios/educar/recursos/ver?id=90491) La fotosíntesis depende de la intensidad lumínica, por ello es más activa en la tardes, si sobre todo ha sido intenso y sostenida por la mañana, incluso aunque se mantengan los estomas abiertos debido a la higrometría saturante. La fotosíntesis neta aumenta rápidamente con los incrementos de la energía luminosa. Hasta alcanzar un máximo (saturación) que está dado por el nivel de aprovisionamiento de anhídrido carbónico. La sequía es un factor que influye, el efecto consiste en reducir el incremento de las plantas, de manera que la fotosíntesis por unidad de superficie foliar no se ve afectada. Luego si la falta de agua se prolonga, tiene lugar el cierre de estomas, lo que disminuye la entrada de anhídrido carbónico y hace que la hoja utilice mal la iluminación fuertes. El nivel de nitrógeno favorece la fotosíntesis neta por unidad de superficie foliar. Cualquiera que sea la intensidad lumínica, pero sobre todo con iluminaciones fuertes. El nitrógeno actúa sobre la fotosíntesis acelerando el crecimiento, lo que favorece la evacuación de los productos de asimilación de las hojas. (Fundamentos para el establecimiento de pasturas y cultivos forrajeros) Escrito por José Oscar Sierra Posada). CONCLUSIONES Se concluye que en la respiración, se usa oxígeno y se elimina el dióxido de carbono Se comprobó que en la fotosíntesis al usar el agua nos bota productos como el oxígeno al medio. Se identificó los diferentes pigmentos que existen en diferentes tipos de hoja. CUESTIONARIO Aunque la respiración se presenta en todas las células vivas, las diferentes células respiran a diferentes frecuencias. Explique por qué. Investigue que tejidos animales y vegetales respiran a mayores y menores frecuencias. Las células respiran a diferentes frecuencias, ya sea por la diferencia de función, ubicación dentro de un organismo, la edad del organismo, el habitad de crecimiento, la concentración externa de oxigeno, la temperatura, etapa de vida, los nutrientes y el aporte de agua. Cada uno de estos factores es importante al analizar y comparar la tasa de frecuencia de respiración en cada tipo de célula. En el caso de las células animales y vegetales la diferencia de taza de respiración es debido a que las células vegetales tienes una afinidad por el O2 que está en relación de 3:1, es decir que por cada tres molecular de CO2 que puedan asimilar, consumen una de O2. Así las tasas respiratorias de la planta son generalmente más bajas que las tasas respiratorias de los tejidos animales, sobre todo cuando se considera respecto al peso fresco. Y esta diferencia se debe, en gran medida, a la presencia e las células vegetales de una gran vacuola central y de los compartimientos de la pared vegetal, ninguno de los cuales contiene mitocondrias. Sin embargo, las tasas respiratorias en algunos tejidos vegetales son tan altas como las observadas en los tejidos animales que están respirando activamente. Por lo tanto el proceso respiratorio vegetal no es inherentemente más lento que la respiración en animales. De hecho, las mitocondrias vegetales respiran más rápido que las mitocondrias de mamíferos, cuando se expresan respecto a mg de proteína. En el caso de las plantas, los tejidos más jóvenes son los que respiran más, hojas jóvenes y punta de raíces. Por otro lado los tejidos fotosintéticos son los que respiran más, así como el tejido de las semillas al absorber agua. En el caso de los animales un buen ejemplo de células con alta tasa de respiración son las células pulmonares, células de los vasos sanguíneos, corazón y las células del cerebro. Estas serian las más importantes y las que trabajan a altas tasas de respiración. ¿Por qué es necesario el oxigeno para que suceda la respiración celular? El O2 es necesario ya que es el ultimo aceptor de electrones en la cadena respiratoria, es decir que los electrones llegan a la cadena respiratoria mediante el NADH+2 y el FADH+2, y son tomados por el FMN, que es el cofactor de la encima NAD reductasa, del FMN pasan a la coenzima Q, de la coenzima Q al citocromo b, del citocromo b al citocromo c, del citocromo c a citocromo a1,2 y 3, y finalmente al O2. La razón de ese flujo electrónico es porque la electro positividad del sistema de transporte de electrones va aumentando desde el FMN* hasta el oxigeno. *FMN: Flavin mono nucleótido. ¿Qué evoluciono primero: la fotosíntesis o la respiración? Sustente su respuesta. Richard Dickerson y otros diseñaron una secuencia probable de sucesos evolutivos por los cuales las variaciones en el metabolismo bacteriano llevaron de los heterótrofos anaeróbicos a los autótrofos fotosintéticos anaeróbicos, y de éstos a las bacterias aeróbicas que conservaron o perdieron su capacidad fotosintética en distintos linajes. El argumento se apoya en el conocimiento actual del metabolismo de las bacterias, en el análisis del citocromo c y otros componentes de los sistemas fotosintéticos, de la cadena respiratoria del transporte de electrones. La aparición de la respiración aeróbica, en la que el O2 es el aceptor final de electrones, únicamente pudo realizarse si se contaba con un abastecimiento suficiente de O2 disuelto en el agua y de O2 gaseoso en la atmósfera. El paso de un medio anaeróbico a uno aeróbico estuvo relacionado con la fotosíntesis de las algas (procariontes) verde-azules y las protoclorofitas, que toman electrones del H2O2 y liberan O2 con subproducto. Esta capacidad depende de la existencia de un segundo fotosistema acoplado en serie al primero (original de las bacterias fotosintéticas ancestrales). Los organismos fotosintéticos aeróbicos produjeron un ambiente que era capaz de sostener el metabolismo aeróbico, con el cual los organismos aeróbicos obtuvieron una posición ventajosa. Las bacterias púrpura no sulfurosas tienen un ciclo del C3, de fijación del CO2, en las reacciones fotosintéticas oscuras. De este modo, estas bacterias pueden ser descendientes evolutivos de las bacterias purpúreas sulfurosas y aumentaron su actividad metabólica por el agregado de un ciclo de C3, en el cual el ATP y el NADH formados en las reacciones lumínicas de la fotosíntesis son utilizados más tarde en la síntesis de hidratos de carbono en las reacciones oscuras. El hecho de participar en una cadena de transporte de electrones en la fotosíntesis y la respiración avala la suposición que los procesos respiratorios evolucionaron después del surgimiento de la fotosíntesis, vestigio de sus antepasados fotosintetizadores anaeróbicos. Si las plantas producen ATP durante la fotosíntesis, ¿Por qué es necesario que también lleven a cabo la respiración celular? Porque si bien en la fotosíntesis produce ATP, la respiración celular supera enormemente esta producción de ATP de solo 3 que se sintetizan en la fotosíntesis a 36 o 38 ATP en la respiración celular. Gran cantidad de energía que es utilizada en las reacciones anabólicas como duplicación de ADN y síntesis de proteínas. ¿Por qué es importante la fotosíntesis para la vida en el planeta? Es importante ya que inicia la cadena alimenticia proporcionando los nutrientes, además que oxigena el medio, permitiendo la respiración de los seres aerobios y favoreciendo la formación de ozono. Y de esta manera reduce el efecto invernadero, ya que consume grandes cantidades de dióxido de carbono. ¿Por qué la fotosíntesis y la respiración son procesos metabólicos interdependientes? Se debe entender que la fotosíntesis por sí sola no sustenta la vida, ya que si bien la fotosíntesis produce alimentos, todos los organismos, fotosintéticos o no deben extraer la energía de esos alimentos mediante el proceso de respiración. En la respiración, la cual se da en mitocondrias los organismos rompen las moléculas orgánicas en presencia de oxigeno y convierten la energía almacenada en ATP, moléculas que son utilizadas luego por las células para realizar trabajo. En otras palabras, la respiración recoge la energía de los alimentos producidos por la fotosíntesis. Así se puede afirmar que cada proceso depende de los productos resultantes del otro, pues la respiración utiliza los azucares y el O2 para producir CO2, H2O y ATP, mientras que la fotosíntesis utiliza CO2 y H2O para producir azucares y O2 Si la tierra sigue calentándose y alcanza concentraciones de CO2 nunca alcanzadas en millones de años, ¿Qué tipo de plantas podrían evolucionar? ¿Cómo afectarían estas condiciones a la respiración celular? Estudios en Venezuela aplicando altas concentración de CO2 en plantas, se obtuvieron muy interesantes y poco esperados por muchos. A continuación citare parte de los resultados de estas investigaciones: Se cultivaron plantas de cuatro especies xerófitas bajo una [CO2] elevada, para elucidar el efecto de ésta sobre la fotosíntesis y el uso de agua de especies que normalmente enfrentan déficits hídricos. La fotosíntesis aumentó alrededor de 3,5 veces y la [CO2] elevada retrasó la disminución de la tasa fotosintética en sequía. Dado que en muchos estudios se ha encontrado que el estímulo inicial de la fotosíntesis por una [CO2] elevada desaparece en el tiempo debido a las limitaciones de sumidero de asimilados, hicimos un estudio del efecto de la [CO2] elevada sobre la fotosíntesis de plantas de yuca cultivadas sin limitaciones de suelo, encontrando que la tasa fotosintética no disminuyó durante todo el ciclo de cultivo. La existencia de un sumidero grande (la raíz) unida a una gran disponibilidad de sustrato, permitió que la estimulación de la tasa fotosintética por la [CO2] elevada continuara en el tiempo. Se evaluó el efecto de [CO2] muy altas sobre la fotosíntesis de plantas silvestres que crecen alrededor de emanaciones naturales, encontrándose que tales concentraciones no sólo no inhiben la tasa fotosintética, sino que la promueven muy por encima de la de los controles. Someter a las plantas a un incremento abrupto de la [CO2] desde los valores actuales hasta el doble o más del valor predicho para mediados del siglo XXI puede no reflejar la capacidad de respuesta fisiológica y anatómica de las plantas a un aumento gradual de la [CO2] atmosférica, pero las respuestas de plantas que han crecido por períodos largos en [CO2] > 350 µmol mol-1 pueden dar una idea mejor de cuáles serán las respuestas de las plantas a un incremento antrópico de la [CO2] atmosférica por un período de unos cien años. Situaciones naturales típicas que pueden ilustrar el caso son aquellas en que las plantas crecen en las cercanías de emanaciones naturales de CO2, tales como volcanes y fumarolas (e.g. Miglietta y Raschi, 1993). Con el objeto de conocer las respuestas fisiológicas y anatómicas de las plantas a largo plazo a una [CO2] supra-atmosférica natural, se estudiaron plantas de Bauhinia multinervia (Papilionaceae) y Spatiphyllum cannifolium (Araceae) que crecen cerca y lejos de dos emanaciones naturales de CO2 ([CO2] = 27,000 - 35,000 µmol mol-1) en la península de Paria, Venezuela (Fernández et al., 1998). En plantas de ambas especies que crecieron bajo [CO2] elevada, la tasa fotosintética medida a [CO2] = 1,000 µmol mol-1 fue mayor que en plantas que crecieron a [CO2] normal y fueron medidas a [CO2] = 350 µmol mol-1. Esta respuesta fue el resultado de efectos directos del CO2 sobre el aparato fotosintético. Concentraciones muy altas de CO2 no inhibieron la fotosíntesis en estas especies; antes bien, les permitieron obtener balances de carbono mayores que los de plantas que crecieron a [CO2] normal, y esto fue particularmente evidente durante la sequía. Estos resultados sugieren que las plantas pueden, en el lapso de pocas generaciones, responder a cambios muy pronunciados de la [CO2] atmosférica sin detrimento de su capacidad fotosintética. (Caracas oct. 2001) ¿Por qué los pigmentos fotosintéticos se distribuyen de determinada manera en la cromatografía de papel? Ello es debido a que los pigmentos en llegar más rápido a la parte superior del papel son los menos polares, por eso que el papel no los puede absorber fácilmente, ya que no tiene iones que se puedan fijar con la celulosa, que es la materia del papel. La clorofila tiene grupos polares como el grupo hemo, por ello que haya sido absorbida más rápido, generando un desplazamiento corto (Curtis 1997) BIBLIOGRAFIA http://www.ehowenespanol.com/factores-influyen-respiracion-plantas-lista_96206/ TAIZ, Lincoln, Eduardo Zeiger (2006); Fisiología Vegetal, 3ra edición, Volumen I, Sinauer Associates, Inc. Pág. 457-458. http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2011/bot/8.pdf Cecilia Bocchino, Silvia Márquez. ORIGEN DE LA VIDA, EVOLUCIÓN QUIMICA Y CELULAR. http://genomasur.com/lecturas/Guia15.htm Ana Herrera, María Dolores Fernández, Elizabeth Rengifo y Wilmer Tezara, 2001, EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN ELEVADA DE CO2 SOBRE LA FOTOSÍNTESIS EN ESPECIES TROPICALES http://www.scielo.org.ve/scielo.php?pid=S0378-18442001001000008&script=sci_arttext