FOTOSÍNTESIS, CICLO DEL CARBONO Y CICLO DEL NITRÓGENO

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FOTOSÍNTESIS, CICLO DEL CARBONO Y CICLO DEL NITRÓGENO. Unidad Nº 14 de Biología - Ciencias Básicas Plan Común TEMAS 1. Fotosíntesis y anabolismo celular 2. Ciclos Biogeoquímicos 1. Fotosíntesis y anabolismo celular En la fotosíntesis el flujo de electrones se invierte, el agua se hidroliza por efecto de la luz y el hidrógeno y sus electrones se transmiten a varias cadenas aceptoras. Durante esta transferencia la energía solar incrementa el nivel de energía de los electrones. Este es un proceso endergónico en el cual se utiliza parte de la energía en la reducción del CO2 para formar glucosa. Todas estas reacciones se realizan en los cloroplastos. Las reacciones se resumen así:   Energía Solar               6 CO2 + 12 H2O                ?    C6 H12 O6 + 602 + 6H2O  Clorofila            a. Pigmentos fotosíntéticos Los pigmentos son sustancias químicas que absorben luz de diferente longitud de onda, reflejando las longitudes de onda que no se absorben. La clorofila, el principal pigmento de la fotosíntesis, absorbe luz principalmente de las regiones violeta y azul y también en el rojo del espectro de luz visible. Dado que refleja la luz verde, parece verde. Hay varias clases de clorofila. La más importante es la clorofila a. La clorofila es una molécula, que posee una cabeza hidrofílica, integrada por cuatro anillos pirrólicos unidos mediante un átomo de Mg, y una cola hidrocarbonada (fitol), ligada a una de sus cadenas. Otros pigmentos presentes en las membranas tilacoidales son los carotenoides (carotenos y xantofilas) conocidos como pigmentos fotosintéticos accesorios, Los carotenoides absorben longitudes de onda distinta a la que absorbe la clorofila, y así amplían el espectro de luz que puede activar la fotosíntesis. Los colores que reflejan pueden ser los amarillos, naranjas o rojos. Éstos se hallan ocultos o enmascarados por el color verde de la clorofila. Los pigmentos accesorios actúan como pantallas que transfieren la energía a la clorofila, extendiendo la gama de luz disponible para la fotosíntesis. La luz está formada por un haz de pequeños paquetes de energía o cuantos, denominados fotones. Cuando una molécula absorbe un fotón, uno de sus electrones pasa a un orbital energéticamente superior. En este caso se dice que el electrón está en un estado excitado. Cuando este vuelve a su orbital, desprende parte de la energía absorbida, volviendo a su estado basal. La fotosíntesis se divide en dos etapas o fases: la fase dependiente de la luz (fase clara) y la fase independiente de la luz (fase oscura). b. Fases de la fotosíntesis Fase dependiente de la luz Las reacciones luminosas se inician cuando la clorofila y otros pigmentos absorben luz. Según el modelo actual, la clorofila, y los pigmentos accesorios se encuentran organizados en unidades llamadas fotosistemas. En cada fotosistema se distinguen: las moléculas recolectoras de luz o antena (carotenoides, clorofilas excepto la tipo “a”) y las que forman el centro de reacción fotoquímico (conjunto de clorofilas tipo “a”, asociadas a diversas proteínas). Cuando un fotón de energía luminosa es absorbido por uno de los pigmentos de antena, rebota rápidamente sobre los otros pigmentos del fotosistema, hasta que alcanza el centro de reacción. Cuando las clorofilas de este lugar, absorben la energía, un electrón salta a un nivel de energía superior, desde el cual se transfiere a otra molécula (un aceptor primario de electrones). La clorofila así oxidada, al perder su electrón, queda cargada positivamente. Existen dos fotosistemas: El fotosistema I y el fotosistema II. El fotosistema I contiene una variedad especial de clorofila a, de nombre P700, porque tiene su peak de absorción a 700 nm de longitud de onda. El fotosistema II contiene también clorofila a, la P680, con absorción máxima a 680 nm de longitud de onda. Los pigmentos accesorios que captan la energía solar a modo de antena y la transmiten al centro de reacción, lugar donde la clorofila responde emitiendo 2 electrones producto de su excitación. De esta forma, se pone en marcha la fase clara de la fotosíntesis. Otras moléculas que también participan en la fotosíntesis son las moléculas transportadoras de electrones, estas moléculas están relacionadas con los pigmentos. Entre ellas tenemos a proteínas como plastocianina, entre otras o bien compuestos lipídicos, como la plastoquinona, etc. La fase dependiente de la luz se resume en los siguientes puntos: Como consecuencia de la incidencia de luz en los fotosistemas I y II, los electrones de los centros de reacción pasan a un orbital superior. Los electrones resultantes de la excitación del fotosistema II se transfieren a moléculas transportadoras de electrones que unen ambos sistemas. Llegan de esta manera al fotosistema I. Los electrones resultantes de la excitación del fotosistema I se transfieren a moléculas transportadoras de electrones, llegando finalmente al NADP el cual se reduce a NADPH. La luz también produce la fotólisis de una molécula agua (escisión de una molécula de agua), la cual libera 2 átomos de hidrógeno, 1 átomo de oxígeno y dos electrones, estos últimos son transferidos al fotosistema II. Como consecuencia del transporte de electrones se produce un bombeo de protones (iones de H+) desde el estroma al espacio tilacoidal. Este transporte de protones provoca una diferencia de cargas eléctricas y de pH, con lo que se genera un potencial electroquímico; este potencial proporciona la energía necesaria a ATP sintetasa para que se forme ATP. Este proceso se denomina fotofosforilación oxidativa. Fotofosforilación Corresponde a la formación de ATP a partir de ADP y fosfato. Ésta tiene lugar en la ATP sintetasa. Tipos: Fotofosforilación no cíclica: se caracteriza por la participación de los fotosistemas I y II, por lo que se obtiene como productos NADPH, ATP y O2. Éste es el proceso descrito anteriormente. Fotofosforilación cíclica: son reacciones en las cuales sólo participa el fotosistema I, por lo tanto, cuando este fotosistema absorbe luz, sus electrones son transferidos desde las moléculas transportadoras de electrones hasta la ferrodoxina. Esta molécula los transfiere al complejo de citocromos bf (complejo ubicado entre los fotosistemas, por lo tanto no se forma NADPH) los cuales lo trasfieren a la plastocianina y ésta luego al fotosistema I, con lo que se compensa la pérdida de electrones, de este complejo. Como consecuencia de este flujo de electrones se bombean protones desde el estroma al espacio tilacoidal, permitiendo de esta manera el funcionamiento de la ATP sintetasa, para formar ATP. Fase independiente de la luz: ciclo de Calvin Aunque las reacciones oscuras no requieren de luz, necesitan de los productos de la fase clara. Las reacciones oscuras forman un proceso llamado ciclo de Calvin. Por cada ciclo completo, se produce una molécula de fosfogliceraldehído que es precursora de la glucosa y otros compuestos orgánicos. Esta fase cíclica se lleva a cabo en el estroma. Durante el ciclo de Calvin, ocurre la fijación del CO2 gracias a la energía proporcionada por al ATP y NADPH formados en la fase clara. La fase independiente de la luz se resume en los siguientes puntos: El CO2 se fija a una molécula de 5 carbonos (ribulosa-difosfato) que se encuentra en el estroma del cloroplasto. De esta unión, se forma un complejo inestable de 6 carbonos que se rompe dando origen a dos moléculas de tres carbonos (3-fosfoglicerato).De ahí que este tipo de asimilación del CO2 atmosférico se denomine ciclo de plantas C3. El 3-fosfoglicerato se reduce a gliceraldehído 3-fosfato mediante el consumo de ATP y NADPH. A continuación, tienen lugar diversas reacciones a partir de las cuales la mayor parte del gliceraldehído 3-fosfato se utiliza para la regeneración de la ribulosa-1,5-difosfato, consumiendo nuevamente ATP. El gliceraldehído restante se emplea en la síntesis de hexosas como la glucosa. Durante esta fase, la energía química del ATP y del NADPH es transferida a los enlaces químicos de las moléculas de carbohidratos. De esta forma se permite reservar la energía por un tiempo más prolongado. Ecuación global del ciclo de Calvin Para que se produzca la síntesis de una molécula de glucosa, se debe fijar seis moléculas de CO2. Por lo tanto, han de producirse seis vueltas al ciclo, para que se fijen seis CO2. 6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 6 ribulosa-difosfato + H2O ? C6H12O6 8 glucosa + 18 ADP + 12 NADPH + 6 ribulosa-difosfato. Algunas de las moléculas de gliceraldehído fosfato, producidas son utilizadas como combustible en la respiración celular. Otras se utilizan en la fabricación de otras sustancias orgánicas, como proteínas y lípidos. Además de la glucosa, en el estroma del cloroplasto se fabrican aminoácidos, ácidos grasos y almidón y en el citosol sacarosa, que es la forma en que las plantas transportan el azúcar en su savia.   |Regresar a Temas| 2. Ciclos Biogeoquímicos Existe en la corteza terrestre una gran variedad y cantidad de elementos y compuestos orgánicos, muchos de los cuales son vitales para el funcionamiento de los sistemas vivientes. A estos elementos se llaman biogénicos y se les puede clasificar en dos grandes grupos. Macronutrientes: Son compuestos esenciales del protoplasma y se requieren en cantidades significativas; Como por ejemplo, el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, potasio, calcio, magnesio, azufre y fósforo, incluyendo, además, algunos compuestos como el agua. Micronutrientes: son aquellos elementos y sus compuestos que siendo también importantes. Se requieren en cantidades pequeñas, ejemplo: fierro, manganeso, cobre, zinc, sodio y cloro. Todos estos elementos se mueven cíclicamente entre el biótopo y la biocenosis. A continuación se destacan los ciclos biogénicos más importantes. Ciclo del Carbono El ciclo del carbono involucra a dos procesos fundamentales como son la respiración y la fotosíntesis. Los organismos autótrofos a través de la fotosíntesis fijan el CO2 y lo transforman en carbohidratos; luego la planta puede ser ingerida por un herbívoro, siendo los compuestos orgánicos degradados y resintetizados en nuevas moléculas por el herbívoro. Posteriormente este animal puede servir de alimento a un carnívoro, ocurriendo nuevamente la digestión y síntesis de nuevos compuestos orgánicos. Durante su vida plantas y animales, a través de la respiración, liberan CO2 a la atmósfera como producto de desecho, y una vez que mueren, la materia orgánica que los constituye, por acción de bacterias descomponedoras, es degradada hasta CO2, liberándose este gas a la atmósfera. Ciclo del Nitrógeno La fuente más abundante de nitrógeno en nuestro planeta es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de gas N2 en un 78%. Sin embargo, dado que la mayor parte de las plantas y animales son incapaces de captar directamente este gas N2 y de incorporarlo a sus estructuras y metabolismo, dependen del nitrógeno presente en los minerales del suelo. Por lo tanto, a pesar de la abundancia de nitrógeno en la atmósfera, la escasez de nitrógeno en el suelo suele ser un factor limitante del crecimiento de un vegetal. El proceso por el cual esta cantidad limitada de nitrógeno circula y recircula a través del mundo orgánico y el físico se conoce como ciclo del nitrógeno. Los pocos organismos capaces de incorporar N2 a compuestos orgánicos son procariontes, y se les llaman «Fijadores de N2». Son bacterias y cianobacterias, muchas de las cuales viven simbióticamente con las raíces de algunos vegetales, como las leguminosas (porotos, garbanzos, etc.). Otras son de vida libre, principalmente acuáticas. Las principales etapas del ciclo son: - Amonificación - Nitrificación - Asimilación Amonificación: Los descomponedores degradan la materia orgánica que contiene nitrógeno, liberando el exceso como ión amonio (NH4+) o como amoníaco (NH3) el que se incorpora a algunas plantas para formar parte de compuestos nitrogenados. Nitrificación: Algunas bacterias comunes en el suelo son capaces de oxidar el amonio o el amoníaco, extrayendo así la energía necesaria para su sobrevivencia. Las nitritobacterias son las encargadas de realizar la siguiente reacción: 2NH3 + 302 ---> 2NO2- + 2H+ + 2H2O          Amoniaco                Nitrito                                           El nitrito es tóxico para muchas plantas, siendo inusual su acumulación. Otro grupo de bacterias conocidas como Nitratobacterias realizan la transformación de nitritos (NO2-) en nitratos (NO3-): 2NO2- + O2 ---> 2NO3- Nitrito                  Nitrato Aunque las plantas pueden utilizar el amoniaco directamente, el nitrato es la forma más común en que las plantas disponen del nitrógeno. Asimilación: Los nitratos ingresan a las raíces y, dentro de las células, se reducen nuevamente a Amonio, que se incorpora a los compuestos orgánicos. Este proceso a diferencia del anterior requiere de energía. Procesos como la erosión, el sobrecultivo, o el arrastre de nitratos por lluvias retiran constantemente nitrógeno del medio, disminuyendo la cantidad de nitrógeno disponible para las plantas. Una parte del nitrógeno puede incorporarse por actividad volcánica, con la energía de los relámpagos desde la atmósfera. En ausencia de oxígeno, entra en acción otro grupo de bacterias, que degradan los nitratos, devolviendo nitrógeno libre a la atmósfera; es el proceso conocido como DESNITRIFICACIÓN |Regresar a Temas|

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Última modificación: viernes, 18 de abril de 2008, 17:01

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