FOTOSINTESIS Temas u Generalidades sobre el metabolismo fotosinttico

FOTOSINTESIS

Temas u Generalidades sobre el metabolismo fotosintético u Foto asimilación de Carbono u Fluorescencia u Métodos para evaluar Fotosíntesis u 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 CO 2 TEM 9, 750 u Grana Stroma Membrana Externa Membrana Interna Stroma Granum Cloroplasto Thylakoid space

Estructura del Cloroplasto Ø 3 compartimientos: 1. Espacio “inter membranas” 2. Estroma: fluido compuesto de azucares que contiene los tilacoides 3. Espacio de los tilacoides u u 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 O 2 a partir del agua 6 CO 2 Reactivos: Productos: C 6 H 12 O 6 12 H 2 O 6 O 2

La fotosintesis es un proceso redox Reducción Fotosintesis Oxidación e- mueven de una molecula a otra u H 2 O se oxida u CO 2 se reduce u e- gana energia potencial u

H 2 O Cloroplasto CO 2 Light REACCIONES DE CLARO NADP+ ADP + P FOTOSINTESISREACCIONES DE LUZ CICLO DE CALVIN (stroma) (t. Ilacoides) El ec ATP on OSCURO REACCIONES tr. DE s NADPH (Ciclo de Calvin-Benson) O 2 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 (P 680 en PSII) y 700 nm (P 700 en PSI) ü Pigment Trap Longitud de Onda que permite llegar al primer estado de excitación (singlet excited state) ü Aun siendo Clorofilas, P 680 y P 700 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 La Física Calor Estado Excitado Fluorescencia Energia del electron e– Calor 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: u u u u 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. Fe. S: proteina hierro-sulfura Cyt f: citocromo f Cyt b 6 L y Cytb 6 H citocromos b PC: plastocianina AO: tipo especial de clorofila-a que es el aceptor primario del PSI A 1: molecula de filoquinona (Vitamina K) Fx, FA y FB proteinas hierro-sulfuro inmoviles FD: proteina feredoxina FNR: enzima ferredoxina-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 O 2 + 2 H+ (lumen) Durante el transporte de 2 electrones entre el PSII y PSI se introducen 4 H+ al lumen 6 H+ 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 CO 2

El Ciclo de Calvin-Benson-Bassham ü ü ü Ciclo de Calvin: Ocurre en el estroma Usa C proveniente del CO 2, e- del NADPH, y energia de ATP para sintetizar Glicerato 3 fosfato (G 3 P) G 3 P es usado para sintetizar glucosa y otras moleculas organicas Pasos: ü 1. Fijar CO 2 ü 2. Reduccion del carbono ü 3. Liberar G 3 P ü 4. Regeneracion de Ru. BP (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) Input CO 2 ATP NADPH CICLO DE CALVIN Output: G 3 P

Ecuacion del Ciclo de Calvin

Ciclo de Calvin: paso a paso Paso 1 : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco “atrapa” el CO 2 para agregar el C al azucar de 5 C Ru. BP. - El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3 -PGA. 3 P Input: 3 CO 2 1 6 P Ru. BP 3 -PGA P 6 3 ADP 3 ATP CICLO DE CALVIN 4 ATP 6 ADP + P 2 6 NADPH 6 NADP+ 5 G 3 P 6 P G 3 P 3 Output: 1 P G 3 P P Glucose and other compounds

Ciclo de Calvin: paso a paso Paso 1 : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco “atrapa” el CO 2 para agregar el C al azucar de 5 C Ru. BP. - El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3 3 P -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. CO 2 1 6 P Ru. BP 3 -PGA P 6 3 ADP 3 ATP CICLO DE CALVIN 4 ATP 6 ADP + P 2 6 NADPH 6 NADP+ 5 G 3 P 6 P G 3 P 3 Output: 1 P G 3 P P Glucose and other compounds

Ciclo de Calvin: paso a paso Paso 1 : Asimilacion de Carbono. - La enzima rubisco “atrapa” el CO 2 para agregar el C al azucar de 5 C Ru. BP. - El producto de 6 C es inestable y se rompe en 2 moleculas del acido organico 3 3 P -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. CO 2 1 6 P Ru. BP 3 -PGA P 6 3 ADP 3 ATP CICLO DE CALVIN 4 ATP 6 ADP + P 2 6 NADPH 6 NADP+ 5 G 3 P 6 P G 3 P 3 Output: 1 P G 3 P P Glucosa y otros compuestos Paso 3 : Libera 1 molecula de G 3 P. -Para cada 3 CO 2 fijadas, 1 G 3 P es liberada como producto. -Las otras G 3 P 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 CO 2. - 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. CO 2 1 6 P Ru. BP 3 -PGA P 6 3 ADP 3 ATP Paso 4 : Regeneracion de Ru. BP. -5 moleculas de G 3 P son reacomodadas para formar 3 moleculas de Ru. BP. -Ru. BP es regenerada para iniciar otro ciclo. -ATP es usado como fuente de energia. CICLO DE CALVIN 4 ATP 6 ADP + P 2 6 NADPH 6 NADP+ 5 G 3 P 6 P G 3 P 3 Output: 1 P G 3 P P Glucosa Y otros compuestos Paso 3 : Libera 1 molecula de G 3 P. -Para cada 3 CO 2 fijadas, 1 G 3 P es liberada como producto. -Las otras G 3 P continuan en la etapa (Paso 4).

Números El resultado de la Fotosíntesis es: * Triosas fosfato sintetizan FRUCTOSA 6 FOSFATO y posteriormente GLUCOSA

REVISION H 2 O CO 2 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 G 3 P Respiracion Celular Celulosa O 2 REACCIONES DE LUZ Azucares CICLO DE CALVIN Almidon Otros compuestos organicos

Fotosintesis x Productividad x Produccion Ø Ø Ø Proceso que lleva a la incorporacion de carbono inorganico (CO 2) 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 Ø Ø 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

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 CO 2 es incorporada En realidad 1. 2 molecula de O 2 ≈ 1 molecula de CO 2 En sistemas acuáticos la evolución de O 2 al agua es determinada mediante titulaciones químicas (botella clara y obscura) o mediante técnicas polarograficas (electrodos de oxigeno)

EN GENERAL Concentración inicial de Oxigeno/CO 2 Incubación por periodo conocido Determinación de concentración final después de periodo en exposición a luz

BOTELLAS CLARA Y OSCURA EN O 2 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 O 2 La perdida de oxigeno en la botella oscura nos indica respiración Producción Neta = Prod. Bruta - Respiración

EL METODO DE CARBONO-14 Na. H 14 CO 3 (1)

INOCULO Concentración de fitoplancton en la muestra Corriente de California : 0. 3 m. Ci/ml (~4 Cultivos: 0. 2 m. Ci/ml)

BOTELLAS DBO 100 -250 ml Vial de Centelleo 20 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: 2 p 2 n (nucleos de He) Partículas-b: electrones (e-) Partículas-g: fotones (hv) 14 N 14 C 7 6 + n 14 C 14 N 7 + 6 + b (e-) p+ + neutrino Ø Autoradiografia (exposicion a una emulsion fotografica) Ø Contadores Geiger Ø Espectrofotometria de centelleo

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

= CPM (conteos por minuto) =H E= DPM = CPM 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 CO 2 en la muestra (mg/l), determinada mediante la alcalinidad ó conociendo el p. H y la salinidad (Strickland y Parsons, 1978). Ø 1. 05 - factor para considerar que el 14 C tiene masa que el 12 C y es asimilado 5% mas despacio Ø 1000 - para transformar mg C L-1 h-1 en mg C m-3 h-1. Ø N – tiempo de incubación en horas Ø Ø Ø 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 u Lavado del material u Concentración Tiempo del inoculo 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