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FOTOSINTESIS
Temas
 Generalidades
sobre el metabolismo
fotosintético
 Foto asimilación de Carbono
 Fluorescencia
 Métodos para evaluar Fotosíntesis
 Curvas Fotosíntesis x Irradiancia
FLUJO DE ENERGIA
Calor
(17 – 18%)
Luz
(100%)
Fotosíntesis
(~ 80%)
Fluorescencia
(1 – 2%)
Donde Ocurre?
Cloroplastos
Celula Vegetal
Corte de una Hoja
LM 2,600 
Hoja
Cloroplasto
CO2 O2
TEM 9,750 

Grana
Stroma
Membrana Externa
Membrana Interna
Stroma
Granum
Cloroplasto
Thylakoid
Thylakoid
space
Estructura del Cloroplasto

3 compartimientos:
1. Espacio “inter membranas”
2. Estroma: fluido compuesto de azucares que
contiene los tilacoides
3. Espacio de los tilacoides


Tilacoides: membranas interconectadas
Grana: componen los tilacoides; grupos de discos
(membranas) donde ocurre la fotosintesis
Stroma
Membranas
Internas &
externas
Granum
Cloroplasto
1 tilacoide
Plantas producen O2 a partir del agua
6CO2  12H 2O  C6 H12O6  6H 2O  6O2
6 CO2
Reactivos:
Productos:
C6H12O6
12 H2O
6 H2O
6 O2
La fotosintesis es un proceso redox
Reducción
Fotosintesis
6CO2  6H 2O  C6 H12O6  6O2
Oxidación
e- mueven de una molecula a otra
 H2O se oxida
 CO2 se reduce
 e- gana energia potencial

H2O
CO2
Cloroplasto
Light
REACCIONES DE CLARO
NADP+
ADP
+ P
FOTOSINTESISREACCIONES
DE LUZ
CICLO
DE CALVIN
(stroma)
(tIlacoides)
ATP
REACCIONES DE OSCURO
NADPH
(Ciclo de Calvin-Benson)
O2
Azucar
Reacciones de Claro: Flujo de Electrones
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.
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.
e- Ionizacion
Calor
Estado Excitado
Fluorescencia
Energia del electron
e–
Calor
Foton
Foton
(fluorescencia)
Ground state
Molecula
Clorofila
Diagrama Z
Donor side
Of PSII
Acceptor side of PSII
Donor side of PS I
Acceptor side
Of PSI
Estructura del tilacoide y
localización de los CR
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
Números
1.
2.
3.
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
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 CalvinBenson durante la
fijación de CO2
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 1,5bifosfato)
 Enzima RUBISCO: encargada de catalizar la
fijacion de Carbono (ribulosa-1,5 bifosfato
carboxilasa/oxigenasa (Enzima mas
abundante en el mundo)
Input
CO2
ATP
NADPH
CICLO
DE
CALVIN
Output: G3P
Ecuacion del Ciclo de Calvin

CO2  2 NADPH  2 H  3 ATP 

1 / 6C6 H12O6  H 2 0  2 NADP  3 ADP  3Pi
Ciclo de Calvin: paso a paso
Paso 1 : 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.
3 P
Input: 3
CO2
1
6
P
RuBP
P
3-PGA
6
3 ADP
3 ATP
CICLO
DE
CALVIN
4
ATP
6ADP + P
2
6 NADPH
6 NADP+
5
G3P
6
P
G3P
3
Output: 1
P
G3P
P
Glucose
and other
compounds
Ciclo de Calvin: paso a paso
Paso 1 : 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 P
3-PGA.
Input: 3
Paso 2 : Reduccion.
- NADPH es usado
(oxidado) para reducir
3-PGA al azuzar rico
en energia 3-PGA.
-ATP es usado como
fuente de energia.
CO2
1
6
P
RuBP
P
3-PGA
6
3 ADP
3 ATP
CICLO
DE
CALVIN
4
ATP
6ADP + P
2
6 NADPH
6 NADP+
5
G3P
6
P
G3P
3
Output: 1
P
G3P
P
Glucose
and other
compounds
Ciclo de Calvin: paso a paso
Paso 1 : 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 P
3-PGA.
Input: 3
Paso 2 : Reduccion.
- NADPH es usado
(oxidado) para reducir
3-PGA al azuzar rico
en energia 3-PGA.
-ATP es usado como
fuente de energia.
CO2
1
6
P
RuBP
P
3-PGA
6
3 ADP
3 ATP
CICLO
DE
CALVIN
4
ATP
6ADP + P
2
6 NADPH
6 NADP+
5
G3P
6
P
G3P
3
Output: 1
P
G3P
P
Glucosa
y otros
compuestos
Paso 3 : 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.
Ciclo de Calvin: paso a paso
Paso 1 : 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.
3 P
Input: 3
Paso 2 : Reduccion.
- NADPH es usado
(oxidado) para reducir
3-PGA al azuzar rico
en energia 3-PGA.
-ATP es usado como
fuente de energia.
CO2
1
6
P
RuBP
P
3-PGA
6
3 ADP
3 ATP
CICLO
DE
CALVIN
4
ATP
6ADP + P
2
6 NADPH
Paso 4 :
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+
5
G3P
6
P
G3P
3
Output: 1
P
G3P
P
Glucosa
Y otros
compuestos
Paso 3 : 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).
Números
El resultado de la Fotosíntesis es:
3CO2  9 ATP  6NADPH  6H 
9 ADP  8Pi  6NADP  Triosafosfato(G3P / DHAP)
* Triosas fosfato sintetizan FRUCTOSA 6 FOSFATO y posteriormente
GLUCOSA
REVISION
H2O
CO2
Cloroplasto
Luz
NADP+
ADP
+P
RUBP
Fotosistema II
Membranas
Tilacoides
Cadena
Transporte
Electrones
Fotosistema I
CICLO
DE
3-PGA
CALVIN
(en stroma)
ATP
NADPH
Stroma
G3P
Respiracion
Celular
Celulosa
O2
REACCIONES DE LUZ
Azucares
CICLO DE CALVIN
Almidon
Otros compuestos
organicos
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)
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
70 – 90%
Materia organica usada por el
fitoplancton como fuente
de energia
PP Bruta
(produccion total)
10-30 %
PP Neta
METODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESIS
6CO2  6 H 2O 
 C6 H12O6  6O2
LUZ
Nutrientes
COMO MEDIR?



Produccion de Oxigeno (titulacion de
Winkler o electrodos de oxigeno)
Asimilacion de Carbono-14 (Steeman
Nielsen, 1952)
Emision de Fluorecencia (PAM)
EVOLUCIÓN DE OXIGENO

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)
EN GENERAL



Concentración inicial de Oxigeno/CO2
Incubación por periodo conocido
Determinación de concentración final después de
periodo en exposición a luz
BOTELLAS CLARA Y OSCURA EN O2
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
(1)
EL METODO DE CARBONO-14
NaH14CO3
Filtrado
Incubador
14
CO2
Filtro
Contador de
Centelleo Liquido
Vial de centelleo
Vapores de
HCL
INOCULO
 Concentración de fitoplancton en la muestra
Corriente de California : 0.3 mCi/ml (~4
Cultivos: 0.2 mCi/ml
mCi/ml)
BOTELLAS
DBO
100-250 ml
Vial de Centelleo
20 ml
INCUBACION/INCUBADORAS
0
5
10
20
25
30
35
Profundidad Z (m)
15
40
45
50
Figura 6.- Diagrama de incubaciones in situ para
generar experimento P-E
In situ
INCUBADORAS
In situ
Figura 7.- Canasta de incubación. Permite incubar varias botellas
a la misma Z
INCUBADORAS
In situ
Figura 8.- Incubador in situ del tipo Araña
INCUBADORAS
Figura 9.- Incubador de luz natural
In situ-simulado
INCUBADORAS
Luz
Artificial
Lewis et al, 1983
Figura 14. Detalles de la vista total del Fotosintetrón.
se guarda en Vial con 10 ml
de liquido de centelleo
Vapores de HCL
PRINCIPIOS DE MEDICIÓN DE RADIACTIVIDAD
Principales tipos de radiación:
Partículas-a: 2p2n (nucleos de He)
Partículas-b: electrones (e-)
Partículas-g: fotones (hv)
14N
14C
7
6
+
n
14C
14N
7
+
6
+
b (e-)
p+
+
neutrino
 Autoradiografia (exposicion a una emulsion fotografica)
 Contadores Geiger
 Espectrofotometria de centelleo
Principios de medición de radiactividad en muestras
14C
e-
e-
e-
e-
SOLVENTE
Intensidad
200-300 nm
FLUOR.
340-400 nm
Num.
de la luz
de emisiones
de luz
Registro de
numero de conteos
(desintegraciones)
por nivel de energía
(canales)
= CPM (conteos por minuto)
=H
2
3
E = k1   k2 * H    k3 * H    k4 * H 
DPM =
CPM
E
 Rs  Rb  W *1.05 *1000
PP  
*
Ri * N
 V

PP = mg C asimilado/volumen/tiempo
PP = mg C/m-3/h
 Rs  Rb  W *1.05 *1000
PP  
*
Ri * N
 V

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
CONSIDERACIONES FINALES
 Lavado
del material
 Concentración

del inoculo
Tiempo de incubación–Que medimos?
Cortos periodos de incubación (hasta 2 hs): P >> R
Largos periodos de incubacion (2-6 hs): P > R
Periodos >>> largos (hasta 24 hs): P = R
PPB
PPN
Producción Neta de la
Comunidad y aumento
de biomasa