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 Fotosíntesis (100%) (~ 80%) Regresando a absorción de luz Fluorescencia (1 – 2%)

Donde Ocurre? Cloroplastos Cloroplasto Corte de una Hoja Celula Vegetal Hoja LM 2,600  Cloroplasto CO2 O2 Membrana Externa TEM 9,750  Stroma Membrana Interna Thylakoid Grana Stroma Granum Thylakoid space Cloroplasto

Estructura del Cloroplasto 3 compartimientos: Espacio “inter membranas” Estroma: fluido compuesto de azucares que contiene los tilacoides Espacio de los tilacoides Tilacoides: membranas interconectadas Grana: componen los tilacoides; grupos de discos (membranas) donde ocurre la fotosintesis Cloroplasto Stroma Membranas Internas & externas Granum 1 tilacoide

Plantas producen O2 a partir del agua Reactivos: Productos: 6 CO2 12 H2O C6H12O6 6 H2O 6 O2

La fotosintesis es un proceso redox Reducción Oxidación e- mueven de una molecula a otra H2O se oxida CO2 se reduce e- gana energia potencial

FOTOSINTESIS REACCIONES DE CLARO REACCIONES DE OSCURO Light CO2 H2O Cloroplasto REACCIONES DE LUZ (tIlacoides) CICLO DE CALVIN (stroma) NADP+ ADP + P ATP NADPH O2 Azucar Electrons REACCIONES DE CLARO FOTOSINTESIS REACCIONES DE OSCURO (Ciclo de Calvin-Benson)

Reacciones de Claro: Flujo de Electrones

ANTENA DE PIGMENTOS

TRANSFERENCIA DE ENERGIA

En Resumen: Los fotones inciden inicialmente en los pigmentos accesorios 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) Longitud de Onda que permite llegar al primer estado de excitación (singlet excited state) Pigment Trap 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.

La Física e- Ionizacion Calor Fluorescencia Estado Excitado e– Calor Energia del electron Foton Estado Excitado Calor (fluorescencia) Ground state Molecula Clorofila e– Calor Fluorescencia

Diagrama Z Donor side Acceptor 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 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 Calvin-Benson durante la fijación de CO2

El Ciclo de Calvin-Benson-Bassham Input CO2 ATP NADPH CICLO DE CALVIN G3P Output: 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 1,5-bifosfato) Enzima RUBISCO: encargada de catalizar la fijacion de Carbono (ribulosa-1,5 bifosfato carboxilasa/oxigenasa (Enzima mas abundante en el mundo)

Ecuacion del Ciclo de Calvin

Ciclo de Calvin: paso a paso Paso : 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. 1 CICLO DE CALVIN 3 P Input: 6 RuBP 3-PGA G3P ATP ADP + NADPH NADP+ 2 Output: 1 Glucose and other compounds 3 ADP 5 4 CO2

Ciclo de Calvin: paso a paso Paso : 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. 1 2 Paso : Reduccion. NADPH es usado (oxidado) para reducir 3-PGA al azuzar rico en energia 3-PGA. ATP es usado como fuente de energia. CICLO DE CALVIN 3 P Input: 6 RuBP 3-PGA G3P ATP ADP + NADPH NADP+ 2 Output: 1 Glucose and other compounds 3 ADP 5 4 CO2

Ciclo de Calvin: paso a paso Paso : 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. 1 CICLO DE CALVIN 3 P Input: 6 RuBP 3-PGA G3P ATP ADP + NADPH NADP+ 2 Output: 1 Glucosa y otros compuestos 3 ADP 5 4 CO2 2 Paso : Reduccion. NADPH es usado (oxidado) para reducir 3-PGA al azuzar rico en energia 3-PGA. ATP es usado como fuente de energia. 3 Paso : 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 : 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. 1 CICLO DE CALVIN 3 P Input: 6 RuBP 3-PGA G3P ATP ADP + NADPH NADP+ 2 Output: 1 Glucosa Y otros compuestos 3 ADP 5 4 CO2 2 Paso : Reduccion. NADPH es usado (oxidado) para reducir 3-PGA al azuzar rico en energia 3-PGA. ATP es usado como fuente de energia. Paso : 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. 4 3 Paso : 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: * Triosas fosfato sintetizan FRUCTOSA 6 FOSFATO y posteriormente GLUCOSA

REVISION Luz H2O CO2 NADP+ Fotosistema II Fotosistema I Cadena Transporte Electrones ADP P + RUBP CICLO DE CALVIN (en stroma) 3-PGA Stroma G3P NADPH ATP O2 REACCIONES DE LUZ CICLO DE CALVIN Azucares Respiracion Celular Celulosa Almidon Otros compuestos organicos Membranas Tilacoides Cloroplasto

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) P = Peta = 10^15

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

PP Bruta PP Neta (produccion total) 70 – 90% 10-30 % Materia organica usada por el fitoplancton como fuente de energia 70 – 90% Esto sera importante mas adelante cuando estemos hablando de los metodos para medir la productividad primaria La PPN sera lo que quedara disponible a los niveles troficos superiores 10-30 % PP Neta

METODOS PARA EVALUAR FOTOSINTESIS Hay dos formas de medir la productividad primaria … a partir de la reaccion estequiometrica basica de la fotosintesis … producto asimilado o producto liberado

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) Minimo del metodo de winkler

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

El metodo de Carbono-14 (1) NaH14CO3

Inoculo Concentración de fitoplancton en la muestra Corriente de California : 0.3 mCi/ml (~4 mCi/ml) Cultivos: 0.2 mCi/ml

Botellas Vial de Centelleo 20 ml DBO 100-250 ml

Incubacion/Incubadoras In situ

Incubadoras In situ

Incubadoras In situ

Incubadoras In situ-simulado

Incubadoras Luz Artificial Lewis et al, 1983

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) 14N7 + n 14C6 + p+ 14C6 14N7 + b (e-) + neutrino deteriorar Autoradiografia (exposicion a una emulsion fotografica) Contadores Geiger Espectrofotometria de centelleo

14C e- e- e- e- Principios de medición de radiactividad en muestras SOLVENTE Intensidad de la luz Num. de emisiones de luz 200-300 nm FLUOR. Registro de numero de conteos (desintegraciones) por nivel de energía (canales) 340-400 nm

= CPM (conteos por minuto) = H E = CPM DPM = E PP = mg C asimilado/volumen/tiempo PP = mg C/m-3/h

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 PPB Largos periodos de incubacion (2-6 hs): P > R PPN Periodos >>> largos (hasta 24 hs): P = R Producción Neta de la Comunidad y aumento de biomasa