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Nanomateriales le dan a plantas "super habilidades" - UNAM Global

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Los escritores de ciencia ficción han imaginado durante mucho tiempo los híbridos humano-máquina que ejercen poderes extraordinarios. Sin embargo, las "súper plantas" con nanomateriales integrados pueden estar mucho más cerca de la realidad que los cyborgs.

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Descubren proteína clave en el uso del oxígeno durante la fotosíntesis de las plantas - ChileBIO

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Un equipo de investigadores del Instituto para la Ciencia Carnegie, de la Universidad Estatal de Pensilvania y de la Universidad...

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En el año 2010 el equipo de Min Chen publicó el descubrimiento de un nuevo tipo de clorofila, la f. Esta fue descubierta en una cianobacteria presente en estromatolitos en Australia, y permite la absorción de la luz roja con más efectividad que cualquiera de los otros tipos.

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Este tipo de clorofila solo ha fue observado de forma aislada y no constante en un alga roja, aunque posteriormente se encontró también en la cianobacteria Acaryochloris marina, capaz de explotar la luz del espectro rojo. Hace poco se descubrió que su presencia no repetida sobre el alga roja se debe a que no es la propia alga quien la produce, sino una cianobacteria que se desarrolla sujeta a ellas. (misma imagen que la clorofila c)

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Este tipo de clorofila puede encontrarse en algunas categorías de algas, especialmente en el grupo de los dinoflagelados. Su función es parecida a la de la clorofila B, ayudando a la clorofila A a absorber la luz solar, pero solo está presente en el periodo inicial del proceso de fotosíntesis.

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Este tipo de clorofila también posee una coloración verde. Su función es la de aumentar la capacidad de absorción de luz de la clorofila A. La clorofila B está presente en algas y árboles.

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Todos los organismos capaces de realizar la fotosíntesis, entre ellos las algas y plantas, contienen este tipo de clorofila. Está presente en los cloroplastos, y gracias a su capacidad de absorber la luz en la longitud del espectro visible, posibilita la transformación de energía lumínica en energía química.

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La clorofila es en realidad toda una familia de pigmentos, que son los responsables de dar a las plantas su color verde característico. Se trata de una biomolécula de importancia vital en el escenario de la vida sobre nuestro planeta, ya que, sin ella, la fotosíntesis que las plantas y otros seres vivos que realizan no sería posible.

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Realizado por el investigador belga Jan Baptista van Helmont en 1648. El experimento consistió en plantar un pequeño sauce en una maceta. Van Helmont pesó el sauce y la tierra que había en la maceta. Regó rigurosamente y con abundante agua al sauce durante 5 años. Luego de 5 años volvió a pesar al sauce y a la tierra. El sauce había incrementado su peso en 75 kg., mientras que la tierra había disminuido su peso en aproximadamente 50 grs. Van Helmont explicó esta diferencia de peso argumentando que las plantas se alimentaban solo de agua, con la que formaban materia orgánica, puesto que era lo único, además de la tierra, con lo que la planta había estado en contacto durante esos cinco años que experimento.

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El experimento realizado por el investigador inglés Joseph Priestley en 1780. Sus investigaciones abrieron el camino en la comprensión de la fotosíntesis. Este investigador concluyó que “las plantas producen un nuevo gas, el O2, que es capaz de renovar el aire viciado por la combustión de una vela y que no es respirable por un ratón.”

- En “A” se coloca un ratón dentro de una campana de vidrio transparente que impide el intercambio gaseoso con el exterior. El ratón después de cierto tiempo muere.
- En “B” se coloca una vela dentro de la campana de vidrio transparente. La vela se apaga.
- En “C” se coloca una vela y una planta (en agua) dentro de una campana de vidrio transparente. La vela puede permanecer prendida.
- En “D” se coloca una planta (en agua) junto con el ratón en la campana de vidrio transparente. Ambos organismos pueden coexistir dentro del dispositivo por un largo periodo de tiempo.

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Factores que modulan la fotosíntesis y cómo actúa cada uno de ellos

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Factores que modulan la fotosíntesis y cómo actúa cada uno de ellos

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La fotosíntesis en las plantas está influenciada por varios factores. A continuación, se mencionan los principales factores y su impacto:

- Luz: La intensidad, calidad y duración de la luz son cruciales. Los pigmentos fotosintéticos capturan la energía lumínica y la utilizan en las reacciones químicas de la fotosíntesis. La fotosíntesis es máxima en condiciones de luz intensa, especialmente en el espectro rojo y azul.

- Dióxido de carbono (CO2): El CO2 es esencial para la fotosíntesis. Mayor concentración de CO2 favorece una mayor tasa de fotosíntesis. La regulación de la apertura y cierre de los estomas en las hojas influye en la entrada de CO2.

- Temperatura: La temperatura afecta la fotosíntesis de manera compleja. Existen rangos óptimos de temperatura en los que la fotosíntesis es más eficiente. Temperaturas extremas pueden inhibir la actividad enzimática necesaria para la fotosíntesis y afectar la apertura de los estomas.

- Agua: El agua es necesaria para la fotosíntesis y el transporte de nutrientes. La disponibilidad de agua afecta la tasa de fotosíntesis, ya que la falta de agua cierra los estomas y limita la entrada de CO2, reduciendo la fotosíntesis.

- Nutrientes: El nitrógeno, fósforo, potasio y magnesio son esenciales para la fotosíntesis. Estos nutrientes forman moléculas y enzimas necesarias para el proceso. La deficiencia de nutrientes afecta negativamente la fotosíntesis y reduce la producción de pigmentos fotosintéticos.

Estos factores interactúan entre sí y su influencia puede variar según la especie vegetal y las condiciones ambientales. La regulación de la fotosíntesis permite a las plantas adaptarse y optimizar la eficiencia de este proceso vital.

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Dónde ocurren los procesos que constituyen la fotosíntesis en plantas

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Dónde ocurren los procesos que constituyen la fotosíntesis en plantas

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La fotosíntesis en las plantas se lleva a cabo en las células del mesófilo, tanto en el mesófilo en empalizada como en el mesófilo esponjoso, que se encuentran en las hojas. Estas células contienen los cloroplastos necesarios para realizar la fotosíntesis.

La fase luminosa de la fotosíntesis ocurre en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos, mientras que la fase oscura (Ciclo de Calvin) tiene lugar en el estroma de los cloroplastos. La captura de dióxido de carbono (CO2) ocurre en los estomas de las hojas, mientras que la fotólisis del agua se produce en los tilacoides de los cloroplastos.

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Ecuaciones químicas que muestran separadamente los reactantes y los productos de cada fase de la fotosíntesis oxigénica.

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Ecuaciones químicas que muestran separadamente los reactantes y los productos de cada fase de la fotosíntesis oxigénica.

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La fotosíntesis oxigénica se divide en dos fases principales: la fase luminosa y la fase oscura (ciclo de Calvin). En la fase luminosa, la energía lumínica se convierte en energía química, produciendo ATP, NADPH y liberando oxígeno a partir de la fotólisis del agua. En la fase oscura, el dióxido de carbono se fija utilizando ATP y NADPH para producir glucosa. Las ecuaciones químicas resumidas de cada fase muestran los reactantes y productos involucrados en los procesos. Es importante tener en cuenta que estas ecuaciones simplifican los pasos y compuestos intermedios de la fotosíntesis oxigénica.

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Ecuación general de la fotosíntesis oxigénica con su correspondiente equilibrio químico

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Ecuación general de la fotosíntesis oxigénica con su correspondiente equilibrio químico

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La fotosíntesis oxigénica es un proceso en el cual las plantas, algas y algunas bacterias aprovechan la energía solar para convertir dióxido de carbono y agua en glucosa, liberando oxígeno como producto secundario. La ecuación de la fotosíntesis se resume como: CO2 + H2O + energía solar → glucosa + O2. La energía solar impulsa las reacciones químicas y se almacena en la glucosa. El oxígeno liberado es esencial para la vida en la Tierra, ya que los organismos dependen de él para la respiración celular.

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Estas plantas cuentan con adaptaciones para tolerar el estrés hídrico, en su mayoría son plantas suculentas, con hojas carnosas, que habitan desiertos cálidos, con alta radiación solar y escasez de agua. Mantienen cerrados sus estomas durante el día para evitar la pérdida de agua por transpiración y, durante la noche, el CO2 que ingresa por los estomas es fijado por la enzima PEP carboxilasa con formación de acido málico.

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Los organismos quimiosintéticos se clasifican en dos grandes grupos: los quimiolitotrofos y los quimioorganotrofos. Los quimiolitotrofos son organismos que usan compuestos inorgánicos como fuente de energía,por otro lado, usan compuestos orgánicos como fuente de energía.

los ejemplos más conocidos de organismos quimiosintéticos son los metanógenos, otro ejemplo son los sulfobacterias y fnalmente, los quimioorganotrofos más comunes son los ácidos grasos oxidantes y los metanotrofos. Los ácidos grasos oxidantes usan ácidos grasos como fuente de energía, mientras que los metanotrofos usan metanol como fuente de energía.

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 Elementos del sistema fotosintético presente en la membrana tilacoidal

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 Elementos del sistema fotosintético presente en la membrana tilacoidal

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Las hojas están constituidas principalmente por tejidos fotosintéticos, es decir, por células que tienen las estructuras necesarias para el desarrollo de la fotosíntesis. A nivel celular, la maquinaria fotosintética se localiza en los cloroplastos.

Los cloroplastos presentan un sistema de membranas internas y externas llamadas tilacoides. Los tilacoides son sacos aplanados, que apilados como monedas toman colectivamente el nombre de grana. La membrana interna del cloroplasto rodea al estroma, que contiene a las enzimas implicadas en la fotosíntesis. En las membranas tilacoidales se encuentra toda la maquinaria molecular que lleva a cabo la primera fase de la fotosíntesis.

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Cómo absorben la luz los seres fotosintéticos oxigénicos 

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Cómo absorben la luz los seres fotosintéticos oxigénicos 

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Los seres fotosintéticos oxigénicos absorben la luz a través de pigmentos llamados clorofilas, que se encuentran en los cloroplastos de las células. La clorofila absorbe principalmente la luz roja y azul, y refleja la luz verde, lo que da a las plantas su color característico. La energía de la luz absorbida se utiliza para convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno a través del proceso de fotosíntesis.

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El fotosistema II comienza el proceso de fotosíntesis removiendo un electrón de las moléculas de agua y descomponiéndolo en oxígeno e hidrógeno. En este punto, el electrón es una vez más excitado por el fotosistema I a un nivel de energía mucho más alto. El electrón excitado produce entonces una molécula de NADPH que es utilizada por el ciclo de Calvin.

también hay una diferencia en las frecuencias de luz que son más receptivos. El fotosistema I es muy receptivo a las ondas de luz a la longitud de onda de 700 nm. En comparación, el fotosistema II es muy receptivo a las longitudes de onda de luz de alrededor de 680 nm.

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El centro de reacción de un fotosistema contiene un único par de moléculas de clorofila a, que suele denominarse par especial .Una vez que la energía alcanza el par especial, ya no pasará a otros pigmentos mediante la transferencia de energía por resonancia, sino que el par especial podrá perder un electrón al excitarse y pasarlo a otra molécula del complejo llamada aceptor primario de electrones. Con esta transferencia, el electrón comenzará su recorrido por una cadena de transporte de electrones.

Hay dos tipos de fotosistemas en las reacciones dependientes de la luz: fotosistema II (PSII) y fotosistema I (PSI)

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Diferencias entre  fotosíntesis y quimiosíntesis

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Diferencias entre  fotosíntesis y quimiosíntesis

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son aquellos organismos que realizan la fotosíntesis y producen oxígeno como subproducto. Utilizan la energía del sol para convertir el dióxido de carbono y el agua en compuestos orgánicos y liberan oxígeno como resultado de este proceso.

Algunos ejemplos de seres vivos fotointéticos oxigénicos son, las plantas, algas, flores, cianobacterias, fitoplancton, etc.

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Etapa de foto-asimilación: captura y asimilación de los elementos constitutivos de la materia orgánica. El ATP NADPH fabricados en la etapa anterior de la fotosíntesis son utilizadas para la foto-asimilación del CO2.Los primeros productos de la asimilación son azúcaresde tres carbonos, que posteriormente se transforman en azúcares sencillos (glucosa y fructosa)

SUBETAPAS

1. Fijación del CO2: Durante esta etapa se incorpora (fija) el CO2 en la ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP).
2. Reducción: Con gasto de ATP y NADPH se sintetiza el primer azúcar del ciclo: el Gliceraldehído fosfato (GAP) a partir de la reducción del ácido generado en la primer etapa del ciclo de Calvin.
3. Regeneración: Luego de la obtención de azúcares es necesario regenerar ala RuBP, la primera molécula involucrada en el ciclo de Calvin y Benson. De esta
forma el ciclo podrá iniciarse nuevamente. Esta fase también consume energía en forma de ATP.

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Etapa de foto-absorción: absorción y conversión de energía. La energía de la
luz es captada por un sistema especializado de pigmentos y transformada  en energía química (ATP) y en poder reductor (NADPH). Esta etapa ocurre en las
membranas tilacoidales de los cloroplastos.

SUBETAPAS

1. Los pigmentos antena absorben la energía luminosa y la transmiten a los centros de reacción de los dos fotosistemas.
2. En el lumen tilacoidal hay moléculas de agua, que en estrecha relación con el FSII, ceden sus electrones a la cadena de transporte al sufrir una ruptura molecular. Como resultado de la fotolisis del agua también se libera O2 a la
atmósfera.
3. Los electrones provenientes del agua desencadenan una serie de reacciones redox.En la membrana tilacoidal hay una cadena de transportadores que se reducen y oxidan sucesivamente conduciendo los electrones desde el agua al NADP+.
4. El transporte de electrones está acoplado a la síntesis de ATP. los electrones fluyen por la cadena ,van decreciendo en su nivel energético.ciertos puntos de la cadena la energía de oxido-reducción liberada se utiliza para “bombear” protones desde el estroma al lumen tilacoidal. en la fotosíntesis se genera un gradiente de protones a través de la membrana
tilacoidal. mayor que la del estroma (pH=8). Este potencial es utilizado como fuerza protón-motriz, es decir, los protones vuelven del lumen al estroma a favor degradiente a través del complejo enzimático ATP sintasa.
5. Durante la etapa de foto-absorción se produce ATP y NADPH hacia el estroma
del cloroplasto, que es donde ocurrirá la segunda etapa de la fotosíntesis.

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LA FOTOSÍNTESIS | Vídeos Educativos para Niños

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En las plantas C4 las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin están separadas físicamente: las reacciones dependientes de la luz se producen en las células del mesófilo (tejido esponjoso en el centro de la hoja) y el ciclo de Calvin ocurre en células especiales alrededor de las venas de la hoja. Estas células se llaman células del haz vascular.

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Las plantas C3 utilizan una ruta fotosintética que incorpora el CO₂ de la atmósfera en una reacción cuya primera molécula orgánica consta 3 átomos de carbono, el ácido fosfoglicérico

Algunos ejemplos de cultivos con mecanismo C3 son: arroz, trigo, cebada, soya, pimiento y

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Esta seria la glucosa, La Glucosa , la comida de las plantas, puede ser usada para almacenar energía en forma de grandes moléculas de carbohidratos. La glucosa es una molécula de azúcar simple que puede ser combinada con otras moléculas de glucosa para formar carbohidratos grandes como el almidón.

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Los fotosistemas son estructuras dentro de la membrana de los tilacoides que absorben la luz y la convierten en energía química.

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Los pigmentos accesorios absorben energía que la clorofila es incapaz de absorber. Los pigmentos accesorios incluyen clorofila b (en algas y protistas las clorofilas c,d y e), xantofila(amarilla) y caroteno, anaranjado ( como el beta caroteno, un precursor de la vitamina A ).

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Por qué las hojas de las plantas tienen diferentes colores

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Por qué las hojas de las plantas tienen diferentes colores

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El color de las plantas depende directamente de los pigmentos que contenga y que está directamente relacionados con la absorción de la luz para realizar la fotosíntesis. Un pigmento es cualquier sustancia que absorba luz.

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Oxigénica: Se genera oxígeno ,en este tipo de fotosíntesis la fuente de poder reductor en el agua: mediante la fotólisis del agua se desprende un producto de desecho para las plantas, el O₂. Tanto para obtener ATP como NADPH hace falta la presencia de luz.

6CO2+6H20+luz =C6H12O6+602

Anoxigénica: No produce oxígeno. Se da en bacterias rojas, verdes y heliobacterias. No se emplea el agua como fuente de poder reductor; se usan otros compuestos orgánicos o inorgánicos distintos del agua por lo que no se produce O₂. Produce las formas oxidadas del NAD y el FAD. Requiere ausencia total de O₂.

CO2+2H2A+luz=(CH2O)+2A+H2O