Biology capitulo10-Fotosíntesis

Capítulo 10

Fotosíntesis

PowerPoint® Lecture Presentations for

Biology
Eighth Edition
Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp
Copyright © 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

Al final el capítulo debes poder:

1. Describir la estructura del cloroplasto
2. Describir la relación entre un espectro de
acción y espectro de absorción
3. Trazar el movimiento de electrones en una
progresión lineal
4. Trazar el movimiento de electrones en el flujo
cíclico


5. Describir la similitudes y diferencias entre la
fosforilación oxidativa en los mitocondrios y la
foto-fosforilación en los cloroplastos
6. Describir el papel del ATP y el NADPH en el
ciclo de Calvin


Panorama: El proceso que alimenta la biosfera

• Fotosíntesis es el proceso que convierte la
energía solar en energía química
• Directa o indirectamente, fotosíntesis alimenta
a toda la vida en el planeta


• Autótrofos se sostienen ellos mismos sin
tener que comer de otros organismos o derivar
nada de otros
• Autótrofos son productores de la biosfera,
producen moléculas orgánicas a partir de CO2
y otras moléculas inorgánicas
• Casi todas las plantas son foto autótrofos,
usan energía de la luz solar para construir
moléculas orgánicas a partir de H2O y CO2


• Fotosíntesis ocurre en plantas, algas, ciertos
protistas, y algunos procariontes
• Estos organismos se alimentan no solo a si
mismos si no que todo los organismos del
planeta

BioFlix: Photosynthesis


Fig. 10-2

(a) Plants

(c) Unicellular protist
10 µm

(e) Purple sulfur
1.5 µm
bacteria

(b) Multicellular alga (d) Cyanobacteria
40 µm

• Heterótrofos obtienen su materia orgánica de
otros organismos
• Heterótrofos son los consumidores de la
biosfera
• Casi todos los heterótrofos, incluyéndonos,
dependen de los foto-autótrofos para alimento
y O2


Concepto 10.1: Fotosíntesis convierte la energía
lumínica a energía química en alimentos

• Los cloroplastos son estructuralmente
similares a las bacterias fotosintéticas y
probablemente evolucionaron a partir de éstas


Cloroplastos: Los lugares de la fotosíntesis en
plantas

• Las hojas son el lugar principal de fotosíntesis
• El color verde se lo deben a la clorofila, el
pigmento en los cloroplastos
• Energía lumínica absorbida por la clorofila
impulsa la síntesis moléculas orgánicas en el
cloroplasto
• CO2 entra y el O2 sale de la hoja a través de
pequeños poros microscópicos llamados
estomas

• Los cloroplastoss se encuentran mayormente
en en las células del mesofilo, tejido interior
de la hoja
• Un célula típica del mesofilo tiene de 30–40
cloroplastos
• La clorofila esta en las membranas de los
tilacoides (sacos conectados en los
cloroplastos); los tilacoides pueden estar
agrupados en columnas llamadas granos
• Los cloroplastos también contienen estroma,
un fluido denso

Fig. 10-3a
Leaf cross section
Vein

Mesophyll

Stomata
CO2 O2

Chloroplast
Mesophyll cell

5 µm

Fig. 10-3b
Chloroplast

Outer
membrane
Thylakoid
Intermembrane
Stroma Granum Thylakoid space
space
Inner
membrane

1 µm

Siguiendo los átomos a través de la fotosíntesis:
una investigación científica

• Fotosintesis se puede resumir con la siguiente
ecuación:

6 CO2 + 12 H2O + Light energy C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O


El rompimiento del agua

• Los cloroplastos rompen el H2O en hidrogeno y
oxigeno, incorporando electrones de hidrogeno
a moléculas de azúcar


Fig. 10-4

Reactants: 6 CO2 12 H2O

Products: C6H12O6 6 H 2O 6 O2

Fotosíntesis como un proceso Redox

• Fotosíntesis es un proceso redox en el cual el
H2O es oxidida y el CO2 es reducido


Las dos etapas de fotosíntesis: Un vistazo

• Fotosíntesis consiste de reacciones lumínicas
y el Ciclo de Calvin
PASO 2 PASO 1

• Las reacciones lumínicas (ocurren en los
tilacoides):
– Rompimiento del H2O
– Liberación de O2
– Reducción de NADP+ to NADPH
– Producción de ATP a partir de ADP a través
de foto-fosforilación

• El Ciclo de Calvin (ocurre en el estroma) forma
azúcar a partir de CO2, usa ATP y NADPH
• El Ciclo de Calvin comienza con la fijación del
carbono, incorporando CO2 a moléculas
orgánicas


Fig. 10-5-1

H2 O

Light

NADP+

ADP
+ P
i

Light
Reactions

Chloroplast

Fig. 10-5-2

H2 O

Light

NADP+

ADP
+ P
i

Light
Reactions

ATP

NADPH

El producto de las reacciónes
Chloroplast lumínicas es ATP y NADPH...estos son
los precursores energéticos del ciclo
de calvin. Tambien otro de los
O2 productos es oxígeno.

Fig. 10-5-3

H2 O CO2

Light

NADP+

ADP
+ P
i
Calvin
Light Cycle
Reactions

ATP

NADPH

Chloroplast

O2

Fig. 10-5-4

H2 O CO2

Light

NADP+

ADP
+ P
i
Calvin
Light Cycle
Reactions

ATP

NADPH

Chloroplast

O2 [CH2O]
(sugar)

Concepto 10.2: Las reacciones lumínicas
convierten la energía solar a energía química en
ATP y NADPH

• Cloroplastos son fábricas químicas que
funcionan con energía solar
• Sus tilacoides transforman la energía lumínica
a energía química en ATP y NADPH


Las luz solar

• La luz es una forma de energía
electromagnética, también llamada radiación
electromagnética
• Al igual que otra energía electromagnética, la
luz viaja en ondas rítmicas
• El largo de onda es la distancia entre las
crestas de las ondas
• El largo de onda determina el tipo de energía
electromagnética

• El espectro electromagnético es el la
variación completa de energía
electromagnética, o radiación
• Luz visible consiste de largos de onda
(incluyendo los que impulsan fotosíntesis) que
producen los colores que vemos
• La luz también se comporta como si
consistiera partículas discreta, llamadas
fotones


Fig. 10-6

1m
10–5 nm 10–3 nm 1 nm 103 nm 106 nm (109 nm) 103 m

Gamma Micro- Radio
X-rays UV Infrared waves waves
rays

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

Visible light

380 450 500 550 600 650 700 750 nm
Shorter wavelength Longer wavelength
Higher energy Lower energy

Pigmentos fotosintéticos : Receptores de la luz

• Pigmentos son sustancias que absorben luz
visible
• Diferentes pigmentos absorben diferentes
largos de ondas
• Los largos de onda que no son absorbidos son
reflejados o transmitidos
• Las hojas se ven verde porque la clorofila
refleja y transmite la luz verde
Animation: Light and Pigments


Fig. 10-7

Light
Reflected
light

Chloroplast

Absorbed Granum
light

Transmitted
light

• Un espectrofotómetro mide los largos de
onda que puede absorber un pigmento
• Esta máquina envía luz a través del pigmento y
mide la fracción de luz transmitida en cada
largo de onda


Fig. 10-8
TECHNIQUE

White Refracting Chlorophyll Photoelectric
light prism solution tube
Galvanometer
2 3
1 4

The high transmittance
Slit moves to Green (low absorption)
pass light light reading indicates that
of selected chlorophyll absorbs
wavelength very little green light.

The low transmittance
Blue (high absorption)
light reading indicates that
chlorophyll absorbs
most blue light.

• Un espectro de absorción es una grafica en
donde se muestra lo que absorbe un pigmento
versus largo de onda
• El espectro de absorción de la clorofila a
sugiere que la luz azul-violeta y roja funcionan
mejor para fotosíntesis
• Un espectro de acción ilustra la efectividad
relativa de diferente largos de onda de
radiación


Fig. 10-9
RESULTS

Absorption of light by
Chloro-

chloroplast pigments
phyll a Chlorophyll b

Carotenoids

(a) Absorption spectra 400 500 600 700
Wavelength of light (nm)

(measured by O2 release)
Rate of photosynthesis

(b) Action spectrum

Aerobic bacteria
Filament
of alga

(c) Engelmann’s
experiment 400 500 600 700

• El espectro de acción de fotosíntesis fue
demostrado por primera vez en 883 por
Theodor W. Engelmann
• En su experimento, él expuso diferentes
segmentos de algas filamentosas a diferentes
largos de onda
• Áreas que recibieron largos de onda favorables
a la fotosíntesis produjeron exceso de O2
• Él usó el crecimiento de bacterias aerobias
alrededor del alga como una medida de
producción de O2

• Clorofila a es el principal pigmento fotosintético
• Pigmentos suplementarios como la clorofila
b, amplían el especto usado en fotosíntesis
• Pigmentos suplementarios como los
carotenoides absorben la luz en exceso que
podría dañar la clorofila


Fig. 10-10
CH3 in chlorophyll a
CHO in chlorophyll b

Porphyrin ring:
light-absorbing
“head” of molecule;
note magnesium
atom at center

Hydrocarbon tail:
interacts with hydrophobic
regions of proteins inside
thylakoid membranes of
chloroplasts; H atoms not
shown

Excitación de la Clorofila

• Cuando un pigmento absorbe luz, va del
estado base a uno excitado, lo cual es
inestable
• Cuando los electrones excitados vuelven a su
nivel base, fotones son liberados, se emite
fluorescencia
• Si iluminamos una solución de clorofila la
misma va a emitir fluorescencia, produciendo
luz y calor


Fig. 10-11

Excited
e– state
Energy of electron

Heat

Photon
(fluorescence)
Photon Ground
Chlorophyll state
molecule

(a) Excitation of isolated chlorophyll molecule (b) Fluorescence

Un fotosistema: un centro de reacción asociado a
complejos de cosecho de luz
• Un fotosistema consiste de un complejo de
centro de reacción (un complejo de proteína)
rodeado de complejos de cosecho de luz
• Los complejos de cosecho de luz (moléculas
de pigmento unidas a proteínas) canalizan la
energía de los fotones al centro de reacción


• Un aceptor primario de electrones en el
centro de reacción acepta un electrón de la
clorofila a
• El primer paso es que la energía solar
promueve la transferencia de un electrón de la
molécula de clorofila a hacia un aceptor
primario de electrones


Fig. 10-12

Photosystem STROMA
Photon
Light-harvesting Reaction-center Primary
complexes complex electron
acceptor
Thylakoid membrane

e–

Transfer Special pair of Pigment
of energy chlorophyll a molecules
molecules
THYLAKOID SPACE
(INTERIOR OF THYLAKOID)

• Existen dos tipos de fotosistemas en la
membrana tilacoide
• Fotosistema II (PS II) funciona primero (los
números reflejan el orden en ser descubiertos) y
absorbe mejor a 680 nm
• El centro de reacción de clorofila a PS II se llama
P680


• Fotosistema I (PS I) absorbe a 700 nm
• El centro de reacción chlorophyll a PS I se
llama P700


Flujo Linear de Electrones

• Durante las reacciones lumínicas, existen dos
posibles rutas para el flujo de electrones:
cíclico y linear
• Flujo Linear de electrones, es la ruta
primaria, envuelve ambos fotosistemas y
produce ATP y NADPH usando energía
lumínica


• Un foton da en un pigmento y su energía pasa
a moléculas de pigmento hasta que excita
P680
• Un electrón excitado de P680 es transferido a
el aceptor primario de electrones


Fig. 10-13-1

Primary
acceptor
2
e–

P680

1 Light

Pigment
molecules

Photosystem II
(PS II)

• P680+ (P680 que le falta un electrón) es un
agente oxidante bien fuerte
• H2O es rota por enzimas y sus electrones son
transferidos del hidrogeno a P680+, por lo tanto
se reduce el P680
• O2 es liberado como un producto de esta
reacción


Fig. 10-13-2

Primary
acceptor
2
H2O e–
2 H+
+
1/ O 3
2 2
e–
e–
P680

1 Light

Pigment
molecules

Photosystem II
(PS II)

• Cada electron “cae” hacia la cadena de
transporte de electrones del PS II a el PS I
• Energía liberada por esta ruta crea un
gradiente de protones a través de la
membrana tilacoide
• Difusión H+ (protones) a través de la
membrana promueve la síntesis de ATP


Fig. 10-13-3

Ele
Primary ctro 4
n tr
acceptor ans
por
Pq t ch
2 ain
H2O e– Cytochrome
2 H+
complex
+
1/ O2 3
2
Pc
e–
e–
P680 5

1 Light

ATP

Pigment
molecules

Photosystem II
(PS II)

• En PS I (como en PS II), la energía lumínica
transferida excita P700, quien pierde un
electrón y lo pasa a un aceptor de electrones
• P700+ (P700 que le falta un electrón) acepta
un electrón que viene del PS II a través de la
cadena de transporte de electrones


Fig. 10-13-4

Primary
Ele acceptor
Primary ctro 4
n tr
acceptor ans
por
Pq t ch e–
2 ain
H2O e– Cytochrome
2 H+
complex
+
1/ O2 3
2
Pc
e–
e– P700
P680 5 Light

1 Light 6

ATP

Pigment
molecules
Photosystem I
(PS I)
Photosystem II
(PS II)

• Cada electrón “cae” a través de la cadena de
transporte de electrones de un aceptor
primario del PS I a la proteína ferredoxina (Fd)
• Los electrones son transferidos a NADP+ y se
reduce a NADPH
• Los electrones del NADPH estarán disponibles
para las reacciones del ciclo de Calvin


Fig. 10-13-5

E
tra lect
n ro
ch spo n
Primary ain rt
Ele acceptor
Primary ctro 4 7
n tr
acceptor ans Fd
por
Pq t ch e–
2 ain e– – 8
H2O e– e NADP+
Cytochrome
2 H+ NADP+ + H+
complex
+ reductase
1/ O 3 NADPH
2 2
Pc
e–
e– P700
P680 5 Light

1 Light 6

ATP

Pigment
molecules
Photosystem I
(PS I)
Photosystem II
(PS II)

Fig. 10-14

e–
ATP

e– e–

NADPH
e–
e–
e–

Mill

n
Photo
makes
ATP

e–
Photon

Photosystem II Photosystem I

Flujo Cíclico de Electrones

• flujo Ciclico de electrones usa solamente el
fotosistema I y produce ATP, pero no NADPH
• Genera suficiente ATP, que satisface la
demanda del ciclo de Calvin


Fig. 10-15

Primary
Primary acceptor
Fd
acceptor Fd

Pq NADP+
NADP+ + H+
reductase
Cytochrome NADPH
complex

Pc

Photosystem I
Photosystem II ATP

• Algunos organismos como las bacterias que
usan azufre (purple sulfur bacteria) tienen PS I
pero no el PS II
• El flujo Cíclico de electrones se considera
evolucionó primero que el linear
• Flujo Cíclico de electrones puede proteger la
célula de daño inducido por la luz


Una Comparación entre quimiosmosis en
Cloroplastos y Mitocondrios

• Cloroplastos y mitocondrios generan ATP por
quimiosmosis, pero usan fuentes diferentes de
energía
• Mitocondrios transfieren energía química de
los alimentos al ATP; cloroplastos transforman
energía lumínica a energía quimica en ATP
• Organización espacial de la quimiosmosis
difiere entre cloroplastos y mitocondrios pero
tienen similitudes


• En los mitocondrios, los protones son
bombeados al espacio inter-membránico y esto
dirige la síntesis de ATP según los protones se
mueven nuevamente a la matriz
• En cloroplastos, los protones son bombeados
al espacio del tilacoide (lumen) y esto dirige la
síntesis de ATP según los protones se mueven
nuevamente al estroma


Fig. 10-16
Mitochondrion Chloroplast

MITOCHONDRION CHLOROPLAST
STRUCTURE STRUCTURE
H+ Diffusion
Intermembrane Thylakoid
space space
Electron
Inner Thylakoid
transport
membrane chain membrane

ATP
synthase
Matrix Stroma
Key
ADP + P i
ATP
Higher [H+] H+
Lower [H+]

• ATP y NADPH son producidos en el lado que
mira hacia el estroma, donde el ciclo de Calvin
ocurre


Fig. 10-17

STROMA
(low H+ concentration) Cytochrome
Photosystem II Photosystem I
complex
4 H+ Light NADP+
Light reductase
Fd 3
NADP+ + H+

Pq NADPH

e– Pc
e– 2
H2O
THYLAKOID SPACE 1 1/
2
O2
(high H+ concentration) +2 H+ 4 H+

To
Calvin
Cycle

Thylakoid
membrane ATP
synthase
STROMA
ADP
(low H+ concentration)
+ ATP
Pi
H+

Concepto 10.3: ciclo de Calvin usa ATP y NADPH
para convertir CO2 a azúcar
• El ciclo de Calvin, como el ciclo del ácido
cítrico, regenera su material incial luego que
moléculas entran y salen del ciclo
• El ciclo construye azúcar a partir de moléculas
pequeñas usando ATP y el poder reductor de
los electrones cargados por el NADPH


• Carbono entra al ciclo como CO2 y termina
como azúcar llamada glyceraldehido-3-fosfat
(G3P)
• Para una síntesis neta de 1 G3P, el ciclo tiene
que ocurrir tres veces, fijando 3 moléculas de
CO2
• El ciclo de Calvin tiene tres fases:
– fijación de Carbon (catalizada por rubisco)
– Reducción
– Regeneración del aceptor del CO2 (RuBP)

Fig. 10-18-1
Input 3 (Entering one
at a time)
CO2

Phase 1: Carbon fixation

Rubisco

3 P P
Short-lived
intermediate
3P P 6 P
Ribulose bisphosphate 3-Phosphoglycerate
(RuBP)

Fig. 10-18-2
at a time)
CO2


Rubisco

3 P P
Short-lived
intermediate
3P P 6 P
(RuBP) 6 ATP

6 ADP

Calvin
Cycle
6 P P
1,3-Bisphosphoglycerate
6 NADPH

6 NADP+
6 Pi

6 P
Glyceraldehyde-3-phosphate Phase 2:
(G3P) Reduction

1 P Glucose and
Output G3P other organic
(a sugar) compounds

Fig. 10-18-3
at a time)
CO2


Rubisco

3 P P
Short-lived
intermediate
3P P 6 P
(RuBP) 6 ATP

6 ADP

3 ADP Calvin
Cycle
6 P P
3 ATP
1,3-Bisphosphoglycerate
6 NADPH
Phase 3:
Regeneration of 6 NADP+
the CO2 acceptor 6 Pi
(RuBP)
5 P
G3P
6 P
Glyceraldehyde-3-phosphate Phase 2:
(G3P) Reduction

1 P Glucose and
Output G3P other organic
(a sugar) compounds

La Importancia de fotosíntesis: un repaso

• La energía que entra a los cloroplastos como luz solar
se almacena como energía química en compuestos
orgánicos
• Azúcares que se fabrican en los cloroplastos suplen
energía química y “esqueletos de ” carbono para
sintetizar moléculas orgánicas en las células
• Las plantas almacenan el exceso de azúcar como
almidón en estructuras como las raíces, tubérculos,
semillas y frutas
• Además de producir alimentos la fotosíntesis produce O2
para la atmósfera

Fig. 10-21
H 2O CO2

Light
NADP+
ADP
+ P
i
Light RuBP
Reactions: 3-Phosphoglycerate
Photosystem II Calvin
Electron transport chain Cycle
Photosystem I
Electron transport chain
ATP G3P
Starch
NADPH (storage)

Chloroplast

O2 Sucrose (export)

Fig. 10-UN1
H 2O CO2

El
ec
tr
El Primary on
ec ch tr
tr acceptor
Primary on ai an
n sp
acceptor ch tr Fd or
ai an t
n sp NADP+
H2O Pq or
t NADP+ + H+
reductase
O2 Cytochrome NADPH
complex

Pc

Photosystem I
ATP
Photosystem II

O2

Fig. 10-UN2
3 CO2

Carbon fixation

3 5C 6 3C

Calvin
Cycle
Regeneration of
CO2 acceptor
5 3C

Reduction

1 G3P (3C)

Fig. 10-UN3

pH 7 pH 4

pH 4 pH 8

ATP

Biology capitulo10-Fotosíntesis

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