Fotosíntesis y respiración celular

1º MEDIO UNIDAD 2
Fotosíntesis
Páginas 1 a la 13
Documento, traducido, modificado y actualizado mediante
información obtenida de la WEB por Gustavo Toledo C.,
profesor de Biología y Cs. San Fernando College, 2013

Sol

1 FOTOSÍNTESIS
Las plantas captan Energía del sol y
la almacenan en los enlaces
químicos de los azúcares y de otras
moléculas de alimentos.

2 RESPIRACIÓN CELULAR
Los organismos (incluidas las plantas) liberan
la Energía almacenada en los enlaces
químicos de las moléculas alimenticias que
consumen (o el azúcar que producen en la
fotosíntesis) y la utilizan como combustible.

Toda la vida depende de
Energía la Energía capturada del sol
que es convertida en formas
usables por los seres vivos

FIGURA 4-2 FOTOSÍNTESIS y RESPIRACIÓN CELULAR

© 2012 W. H. Freeman y Company 1

¿QUÉ ES VIDA? UNA GUÍA A LA BIOLOGIA, SEGUNDA EDICIÓN

ENERGÍA QUÍMICA
Glucosa
C6H12O6

La Energía química se forma de la
energía potencial almacenada en
enlaces químicos.

H ENERGÍA C
QUÍMICA

El alimento es una forma
de Energía química!

FIGURA 4-4 La energía de los enlaces químicos.

TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA

Energía lumínica Energía química Energía
Energía almacenada en
del sol transformada transformada
músculos e hígado en calor
en calor
Energía
Energía química
cinética
almacenada en
(movimiento)
las plantas

FIGURA 4-5 A medida que la energía es convertida en trabajo, una parte es liberada como calor.
2 © 2012 W. H. Freeman y Company

UNIDAD 2 • Energía

Adenina Grupo Adenina
P i fosfato Grupos fosfatos
Grupos fosfatos separado

Enlaces
de alta
Ribosa (azúcar) energía Ribosa (azúcar)
Energía

ATP
Símbolo del ATP ADP
símbolo del ADP

El Halo verde respresenta la
energía potencial del ATP

FIGURA 4-7 La estructura del ATP y ADP.

ATP

ENERGÍA ENERGÍA

Un input de La Energía
Energía de la liberada como un
digestión de ADP + Pi grupo fosfato, es
alimentos eyectada del ATP.
enlaza ADP+ Pi.

El ATP puede ser *Más de 30 veces por
minuto, cuando estamos
usado y reciclado en reposo y más de 500
cientos de veces* veces por minuto durante
ejercicio extenuante,
Sensu Waldron, I. 2011

FIGURA 4-8 ATP es como una pila recargable. ©
2012 W. H. Freeman y Company 3


5 años

FIGURA 4-9 Cuando la planta crece, ¿de dónde se originan los nuevos tejidos?



Dióxido de
carbono usado
de la atmósfera
Sol
Oxígeno
liberado a la
atmósfera
REACCIÓN “FOTO” REACCIÓN “SÍNTESIS”

Energía lumínica Energía usada para
capturada y sintetizar
almacenada moléculas de
azúcar

Azúcar usado
para producir
estructuras de
la planta

Agua absorbida del suelo
a través de las raíces

INPUT OUTPUT

+ + +
Luz solar Agua Dióxido de carbono Oxígeno Azúcar

FIGURA 4-11 FOTOSÍNTESIS: Panorama general. ©
2012 W. H. Freeman y Company 5


Haz de la hoja

Células fotosintéticas
con cloroplastos
empacados

Envés de la hoja

FIGURA 4-12 FOTOSÍNTESIS: La FÁBRICA.

CLOROPLASTO

TILACOIDE ESTROMA
Lugar de las reacciones “foto”, Lugar de las reacciones
donde la Energía lumínica es “síntesis”, donde la energía
convertida en energía química. química de las reacciones “foto”
es usada para sintetizar azúcar.

Clorofila

FIGURA 4-13 Estructura del cloroplasto.


ESPECTRO ELECTROMAGN ÉTICO

LUZ SOLAR

O. Radio Infrarroja Luz UV Rayos X Rayos Gama

1.000 m 1 nm
Long. onda larga Long. onda más corta
menor Energía mayor Energía

luz visible
740 nm 400 nm

FIGURA 4-14 Un espectro de Energía.
© 2012 W. H. Freeman y 7
Company


PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS
Las plantas producen varios pigmentos diferentes que
absorben la luz . Cada pigmento fotosintético absorbe y
refleja longitudes de onda específicas.

Clorofila a
Absorción de energía

Clorofila b
Carotenoides

400 500 600 700
longitud de onda (nm)

PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Seasonal
Diferencias en la cantidad de moléculas de pigmentos
presentes en las hojas permite que cambien su color.

PRIMAVERA OTOÑO

Luz del sol

Luz reflejada Luz reflejada
luz absorbida luz absorbida
pigmentos presentes en hojas
Cantidad de moléculas de

En otoño, las moléculas de
clorofila a y b se
descomponen y sus lugares lo
ocupan otros pigmentos.

la l b oids la l b oids
hyl hyl hyl hyl
op op roten op op roten
lor lor Ca lor lor Ca
Ch Ch Ch Ch
Pigmentos fotosintéticos

FIGURA 4-15 Pigmentos de plantas.


MOVIMIENTO DE LA ENERGÍA A TRAVÉS DE LA CLOROFILA

1 La Energía lumínica impacta a un electrón en
la molécula de clorofila llevándolo a un nivel
excitado, más alto de energía.

e-Estado más alto de energía
Sol
Energía
Potential
TILACOIDE Fotones más alta

e- Estado de energía Normal

Clorofila

2 El electrón excitado generalmente tiene uno
o dos diferentes destinos:
Parte de su Energía es transferida a una
molécula cercana, donde excita a otro electrón .

e- e-

Energía

e- e-

o
e-
El electrón excitado es
transferido a una
molécula cercana.

e- e-

FIGURA 4-16 Capturando energía lumínica como electrón excitado


REACCIONES "FOTO"

Luz solar Agua

Clorofila

Las REACCIONES "FOTO"
Ocurren en los tilacoides
dentro de los cloroplastos.

ATP NADPH

Cloroplasto Energía incorporada Moléculas de
Oxígeno

Difunden fuera
de la planta

FIGURA 4-17 Visión general de REACCIONES "FOTO".

EL FOTOSISTEMA II (Rompimiento de la molécula de agua)
1 La Energía lumínica excita a los
electrones presentes en una molécula Sol
Aceptor primario
de pigmento (como la Clorofila). La e- e- de electrones
Energía de los electrones excitados es
transferida a moléculas de pigmento 1 e-
vecinas e- e-
2 Cuando la Energía transferida excita a e-
electrones en la molécula de Clorofila e- 2 A la cadena de
a , el aceptor primario de electrones los
e- Transporte de e-
toma y los envía a la cadena de
transporte de e-. Molécula de
3 Para reemplazar electrones enviados a la Molécula e- Clorofila a
cadena de transporte de e-, se produce pigmento 3 Oxígeno liberado
rompimiento de las moléculas de Agua a la atmósfera
liberándose Oxígeno e hidrógeno como
subproductos. Agua +
H+ H
+
Cloroplasto TILACOIDE H+ H El Oxígeno liberado en las
reacciones "foto" es
necesario para la mayor
etalle Ā
parte de la vida en la tierra,
del
área
incluida la de los animales

FIGURA 4-18 Fotosistema II Rompe moléculas de agua.


H+
LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES FOTOSINTÉTICA H+
H+
Los electrones se mueven a Los electrones
1 través de la cadena de transporte pasan desde el
de e-, liberando un poco de H+ ADP ATP
aceptor primario H+ H+
1
enrgía y cayendo a un estado de
menor energía. e-
3
2 La Energía liberada potencia la
bomba de protones que mueven e-
1
iones hidrógeno desde el e-
ESTROMA y los acumula dentro Al fotosistema
del TILACOIDE. e-
ESTROMA generador de
Los Protones salen raudamente
3 del TILACOIDE con gran Energía
Bombas deprotones
NADPH-
cinética, la cual puede ser usada 2
TILACOIDE
para sintetizar ATP.
Cloroplasto
H+ H+ H+
TILACOIDE

ÁREA DE
DETALLE

FIGURA 4-19 Aprovechando el potencial de los electrones de alta energía

RESUMEN DE LOS COMPONENTES DE LAS REACCIONES "FOTO"
FOTOSISTEMA QUE
ROMPE MOLÉCULAS 2 1ª CADENA DE 3 FOTOSISTEMA 4 2ª CADENA DE
DE AGUA La Energía TRANSPORTE DE e- PRODUCTOR DE NADPH- TRANSPORTE DE
lumínica es usada para Electrones de alta El fotosistema productor ELECTRONES Los
transferir electrones al energía son usados de NADPH es idéntico al electrones de alta
aceptor primario de e-. para bombear iones que rompe la molécula energía son transferidos
Estos son donados por de H+ hacia el del agua, excepto que al NADP+, creando
el Agua, liberando interior del los electrones son NADPH, un
Oxígeno y iones de tilacoides. La energía donados por la transportador de e-
hidrógeno como Cinética de la cadena de transporte
subproductos. liberación de estos de e-. de alta energía.
iones es usada para
Sol e- sintetizar ATP. ATP Sol e-
Iones H+ ADP NADP +

e- e-
e- NADPH
Flujo de electrones. e- e-

ÁREA AUMENTADA
Agua Oxígeno

Iones H+
TILACOIDE

FIGURA 4-20 La porción "Foto" de la FOTOSÍNTESIS.


REACCIONES "SÍNTESIS"

ATP NADPH

Dos Moléculas CO2
que almacenan
energía.

CICLO
de
Las reacciones “síntesis” CALVIN
ocurren en el ESTROMA del
cloroplasto.

Cloroplasto
Azúcar

FIGURA 4-21 Visión gneral de las reacciones “síntesis” de la FOTOSÍNTESIS.

EL CICLO DE CALVIN
CREACIÓN DE AZÚCAR
1 FIJACIÓN 2 La molécula orgánica es modificada a
La enzima rubisco captura átomos de ATP ADP
carbono de moléculas de CO2 presentes un azúcar pequeño llamado G3P,
NADPH
en el aire. Los átomos de Carbono son usando energía del ATP y NADPH.
enlazados a una molécula orgánica. Algunas moléculas de G3P se combinan
NADP + para formar moléculas de 6 Carbono,
tales como Glucosa o fructosa.
Rubisco P P
P

Azúcar
molécula G3P
orgánica
Dióxido de C
P
3 REGENERACIÓN
Algunas moléculas de G3P son
El ciclo de Calvin debe fijar 3
G3P usadas para regenerar la molécula
átomos de C provenientes del
ADP ATP orgánica original usando la
CO2 para sintetizar una
energía del ATP.
molécula de G3P.

FIGURA 4-22 Síntesis de azúcar.


FOTOSÍNTESIS C3 FOTOSÍNTESIS C4 FOTOSÍNTESIS CAM

Dióxido de C Dióxido de C Dióxido de C

ATP ATP
ABSORCIÓN ABSORCIÓN
DE C
CICLO DE C Estomas
DE Estomas Estomas Noche abiertos
Día Día
CALVIN abiertos poco
CICLO abiertos CICLO
DE DE
CALVIN CALVIN Estomas
Día cerrados
Azúcar
Azúcar Azúcar

VENTAJAS VENTAJAS VENTAJAS
• Energía eficiente • Pérdida de agua minimizada • Pérdida de Agua minimizada en climas cálidos
DESVENTAJAS en climas cálidos DESVENTAJAS
• Agua perdida por evaporación DESVENTAJAS • Requiere más Energía
en climas cálidos • Requiere más Energía • Crecimiento lento

Hiedra común Maíz Cactus

FIGURA 4-25 FOTOSÍNTESIS.C3, C4 y CAM

MÉTODOS DE FOTOSÍNTESIS: DISTRIBUCIÓN EN LA TIERRA

Ecuador

Plantas C3 dominantes
Plantas C4 dominantes

FIGURA 4-26 Distribución global de plantas C3 y C4

Chequee sus conocimientos. Preguntas de selección multiple basadas en el texto. Pueden revisar esta
animación que se complementa con el texto.

http://bcs.whfreeman.com/phelan2e/default.asp#712649__748687__
1. A green plant will grow if given nothing more than:
a) water, light, and carbon dioxide.
b) water, light, and oxygen.
c) carbon dioxide.
d) oxygen.
e) oxygen and carbon dioxide.
2. The actual production of sugars during photosynthesis takes place:
a) within the outer membrane of the chloroplast.
b) within the stroma, inside the thylakoids of the chloroplast.
c) within the stroma, outside of the thylakoid, but still inside the chloroplast.
d) just outside the chloroplast, within the mitochondria.
e) within the thylakoid membrane of the chloroplast.
3. The leaves of plants can be thought of as "eating" sunlight. From an energetic perspective this makes sense because:
a) light energy, like the chemical energy stored in food molecules, is used inside plants to do work.
b) both light energy and food energy can be converted to kinetic energy without the loss of heat.
c) the carbon-oxygen bonds within a photon of light release energy when broken by the enzymes in chloroplasts.
d) the carbon-hydrogen bonds within a photon of light release energy when broken by the enzymes in chloroplasts.
e) photons are linked together by hydrogen bonds which release energy when striking the surface of a leaf.
4. A molecule of chlorophyll increases in potential energy:
a) when it binds to a photon.
b) when one of its electrons is boosted to a higher-energy excited state upon being struck by a photon of light.
c) when it loses an electron.
d) only in the presence of oxygen.
e) none of the above. The potential energy of a molecule cannot change.
5. Photosynthesizing plants rely on water:
a) to provide the protons necessary to produce chlorophyll.
b) to concentrate the beams of light hitting a leaf, focusing them on the reaction center.
c) to replenish oxygen molecules that are lost during photosynthesis.
d) to replace electrons that are excited by light energy and passed from molecule to molecule down an electron transport chain.
e) to serve as a high-energy electron carrier.
6. During photosynthesis, which step is most responsible for a plant's acquisition of new organic material:
a) the "building" of NADPH during the Calvin cycle.
b) the excitation of chlorophyll molecules by photons of light.
c) the "plucking" of carbon molecules from the air and affixing of them to organic molecules within the chloroplast.
d) the loss of water through evaporation.
e) the production of ATP during the light reactions.
7. During C4 photosynthesis:
a) plants utilize less ATP when producing sugar.
b) plants are able to continue producing sugars even when they must almost completely close their stomata to reduce water loss during hot days.
c) plants are able to generate water molecules to cool their leaves.
d) plants are able to reduce water loss by producing more rubisco.
e) plants are able to produce sugars without any input of carbon dioxide.

Photosynthesis: The ''Photo'' Reactions
8. What is the main purpose of photosynthesis?
a. to release oxygen into the atmosphere
b. to make sugars for food
c. to harvest energy from carbon dioxide
d. to harvest energy from glucose
9. When a chlorophyll molecule absorbs light, exciting an electron, the chlorophyll molecule
a. releases kinetic energy.
b. gains potential energy.
c. releases a photon.
d. returns to its resting state.
10. From where do replacement electrons for chlorophyll a come?
a. the sun
b. the electron vacuum
c. thylakoid pigments
d. water molecules
11. What is the outcome of the flow of protons across the thylakoid membrane into the stroma?
a. the capture of photons from sunlight
b. the release of oxygen atoms from water molecules
c. the generation of ATP from the difference in proton concentration
d. the excitement of electrons to higher energy levels
12. Why must plants get water for photosynthesis to occur?
a. Water provides energy for making sugars.
b. Water is necessary for cellular respiration.
c. Water replaces electrons used during the "photo" reactions.
d. Water keeps plant cells hydrated.
Photosynthesis: The ''Synthesis'' Reactions
13. What links the "photo" reactions with the "synthesis" reactions?
a. light energy from the sun
b. ATP and NADPH
c. the electrons from water
d. carbon dioxide from the air
14. What is the function of rubisco?
a. Rubisco provides energy for the Calvin cycle.
b. Rubisco releases oxygen from water molecule.
c. Rubisco removes carbon dioxide from air and binds it to an organic molecule.
d. Rubisco converts sunlight energy to chemical energy.
15. What is regenerated in the Calvin cycle?
a. carbon dioxide
b. the organic molecule
c. rubisco
d. water
16. Why does feeding sugar to cut flowers keep them alive longer?
a. Sugar prevents the growth of bacteria.
b. Sugar makes cellular respiration unnecessary.
c. Sugar replaces the electrons lost in the first photosystem.
d. Sugar provides an energy source for cellular processes.


Oxígeno Azúcar y otras
de la moléculas de
alimentos
atmósfera
energéticas.
RESPIRACIÓN CELULAR

En células de plantas y
animales, se rompen
enlaces de alta energía de
las moléculas de alimento,
liberando su Energía.

Dióxido de Agua
ATP
carbono liberado
a la atmósfera

INPUT OUTPUT

+ + + ATP
Oxígeno Azúcar CO2 Agua Energía

FIGURA 4-28 RESPIRACIÓN CELULAR -Panorama general.

GLICÓLISIS
1 FASE PREPARATORIA 2 FASE DE PAGO

ATP (2) ATP (4)

Molécula inestable
preparada para ser NADH (2)
degradada

Glucosa
Agua
La Glicólisis
ocurre en el
citoplasma.
PIruvato (2)

Energía OCUPADA ENERGÍA ADQUIRIDA

−2 ATP +4 ATP +2 NADH

FIGURA 4-30 Glicólisis.


PRODUCCIÓN DE ACETIL CoA

=
Modelo molecular
Glucosa Piruvato del piruvato

A medida que se forma cada NAD +
1 piruvato, se transfiere un
par de e- (y un protón) al
NADH
NAD+, produciendo NADH.

2 Son liberados un átomo de
carbono y dos de oxígeno,
como dióxido de carbono. Dióxido de Carbono

3 La Coenzima A se une
+
a la molécula remanente
creando acetil-CoA. Coenzima A

Acetil-CoA
Las modificaciones
del piruvato Al ciclo de Krebs
ocurren en la
mitocondria.

FIGURA 4-31 Preparación del piruvato.

CICLO DE KREBS
SE FORMAN
1 SE HA FORMADO 2 TRANSPORTADORES DE
UNA NUEVA NAD+
MOLÉCULA Una ELECTRONES DE ALTA
NADH ENERGÍA (NADH) y SE
molécula de acetil-
CoA entra al ciclo y Acetil-CoA EXHALA CO2
Molécula de
se une al
6-carbonos
oxaloacetato, La molécula de 6 carbonos
creando una dona electrones al NAD+,
molécula de 6 C. CO2 creando NADH. Son
Oxaloacetato liberadas DOS moléculas
de Dióxido de Carbono a la
atmósfera .

Molécula 4-carbono
Se necesitan Dos
vueltas del CICLO DE
KREBS para 3 OXALOACETATO ES RE-FORMADO,
SE GENERA ATP Y SE FORMAN
desmanelar
FADH 2 ATP MÁS TRANSPORTADORES DE e- DE
completamente
nuestra molécula ALTA ENERGÍA
FAD NAD+
original de GLUCOSA. NADH La molécula de 4-carbonos
remanente es reordenada para
formar oxaloacetato. En el proceso,

×2 A la cadena de transporte de e-
NADH FADH 2
se forma ATP y los electrones son
transferidos al NADH y FADH2.

FIGURA 4-32 VISIÓN GENERAL DELCICLO DE KREBS.


MITOCONDRIA:UNA VISIÓN CERCANA A SU ESTRUCTURA

1 “BOLSA DENTRO DE UNA BOLSA”
Dentro de la mitocondria, los materiales
pueden presentarse en uno de dos lugares:
Espacio Intermembrana
Matriz mitocondrial

2 “BOLSA” INTERNA
LLENO CON
MOLÉCULAS Éstas
crean una cadena
de transporte de
e- capacitada para
la producción de
ATP.

Plano de
sección
transversal

FIGURA 4-33 “una bolsa dentro de una bolsa.”

LA CADENA DE TRANSPORTE DE e- MITOCONDRIAL
Electrones de alta energía son
Matriz miocondrial H+
transferidos desde los
transportadores NADH y FADH2 a H+
H+
una serie de moléculas embebidas NADH H+ ADP ATP
en la membrana mitocondrial H+ H+
interna, llamada CTE
e- FADH 2 4
1 En cada paso en la secuencia de
transferencias de la cadena de
e-
transporte de electrones, estos
NAD+ 1 2
caen a un nivel más bajo de e- H+
energía, liberando un poco de su
Energía. FAD e-
2 Al final de la cadena, los Membrana interna Agua
electrones de baja energía se mitocondrial
transfieren al oxígeno, que se Oxígeno
combina luego con iones H+ 3
libres para formar agua.
La energía se utiliza para H+ H+ H+

energizar bombas de protones , Espacio Intermembrana
que bombean H+ desde la
matriz mitocondrial hacia el
espacio intermembrana.
4 Los protones regresar rápidamente
a la matriz mitocondrial, con gran
energía cinética, la que se usa para
sintetizar ATP.

FIGURA 4-34 La gran ganancia de Energía


RESUMEN DE LA RESPIRACIÓN CELULAR

1 Glicólisis
2 ATP Netos Glucosa

Piruvato

ATP

Citoplasma

mitocondria
PRODUCCIÓN
2
DE ACETIL CoA Piruvato CO2

Acetil-CoA

3 CICLO DE KREBS
2 ATP netos CO2

ATP
NADH FADH 2

4 CADENA DE
TRANSPORTE
DE e-
ELECTRONES
Ca. 25 ATP netos Cada paso en la degradación
e- del alimento aumenta la
Oxígeno Agua cantidad de energía útil que
es generada.

ATP

FIGURA 4-35 Los pasos de la RESPIRACIÓN CELULAR: Desde la glucosa hasta la energía útil.
© 2012 W. H. Freeman y Company. 17


e-
Electrones generados del proceso de
e-
glicólisis y del ciclo de KREBS e-
Oxígeno Oxígeno
presente ausente

RESPIRACIÓN FERMENTACIÓN
CELULAR
EN ANIMALES en levaduras

ACEPTOR DE ACEPTOR DE ACEPTOR DE
ELECTRONES ELECTRONES ELECTRONES

Oxígeno Piruvato Acetaldehido

PRODUCTO FINAL PRODUCTO FINAL PRODUCTO FINAL

Agua Ácido láctico Etanol
¡Realizar Esfuerzo sin suficiente Oxígeno conduce a
dolores en animales, pero a alcohol en levaduras!

FIGURA 4-37 Producción de energía con o sin oxígeno.

ENERGÍA DE GRASAS, CARBOHIDRATOS Y
PROTEÍNAS
PROTEINS

Grasas Carbohidratos Proteínas

Ác. grasos Glicerol Azúcares simples Compuestos de C

Grupo Amino
Glicólisis

Acetil-CoA

Ciclo de Krebs

Usado en la
Cadena de producción
transporte de e- de tejido o
excretado
como
Energía desecho

FIGURA 4-39 “Alta flexibilidad”

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