1º MEDIO UNIDAD 2 - BIOLOGÍA CELULAR -...

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1º MEDIO UNIDAD 2Fotosíntesis

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FIGURA 4-2 FOTOSÍNTESIS y RESPIRACIÓN CELULAR

© 2012 W. H. Freeman y Company

Sol

Energía

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

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.

Documento, traducido, modificado y actualizado mediante información obtenida de la WEB por Gustavo Toledo C., profesor de Biología y Cs. San Fernando College, 2013

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

2

FIGURA 4-5 A medida que la energía es convertida en trabajo, una parte es liberada como calor.

Energíatransformadaen calor

Energía químicaalmacenada enlas plantas

Energía lumínica del sol

Energíatransformadaen calor

Energíacinética(movimiento)

Energía químicaalmacenada en

músculos e hígado

TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA

FIGURA 4-4 La energía de los enlaces químicos.

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

H C

Glucosa C6H12O6

El alimento es una forma de Energía química!

ENERGÍA QUÍMICA

ENERGÍAQUÍMICA


UNIDAD 2 • Energía

3

+

ATP

ADP Pi

ENERGÍA ENERGÍA

Un input de Energía de la digestión de alimentos enlaza ADP+ Pi.

La Energía liberada como un grupo fosfato, es eyectada del ATP.

El ATP puede ser usado y reciclado cientos de veces*

FIGURA 4-7 La estructura del ATP y ADP.

Símbolo del ATP

Grupos fosfatos

Grupo fosfatoseparado

Ribosa (azúcar)

Enlacesde altaenergía

Pi

Energía

ATP símbolo del ADP

Adenina AdeninaGrupos fosfatos

Ribosa (azúcar)

ADP

El Halo verde respresenta la energía potencial del ATP

FIGURA 4-8 ATP es como una pila recargable. ©

2012 W. H. Freeman y Company

*Más de 30 veces por

minuto, cuando estamos

en reposo y más de 500

veces por minuto durante

ejercicio extenuante,

Sensu Waldron, I. 2011


4

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

5 años



5

Energía lumínica capturada y almacenada

Energía usada para sintetizar moléculas de azúcar

Agua absorbida del suelo a través de las raíces

Azúcar usado para producir estructuras de la planta

Dióxido de carbono usado de la atmósfera

Oxígeno AzúcarLuz solar

+Agua Dióxido de carbono

+ +

Oxígeno liberado a la

atmósfera

Sol

REACCIÓN “FOTO” REACCIÓN “SÍNTESIS”

INPUT OUTPUT

FIGURA 4-11 FOTOSÍNTESIS: Panorama general. ©

2012 W. H. Freeman y Company


6

FIGURA 4-13 Estructura del cloroplasto.

Clorofila

CLOROPLASTO

ESTROMALugar de las reacciones “síntesis”, donde la energía química de las reacciones “foto” es usada para sintetizar azúcar.

TILACOIDELugar de las reacciones “foto”, donde la Energía lumínica es convertida en energía química.

FIGURA 4-12 FOTOSÍNTESIS: La FÁBRICA.

Haz de la hoja

Células fotosintéticas con cloroplastos empacados

Envés de la hoja



7

LUZ SOLAR

O. Radio Infrarroja Luz UV Rayos X Rayos Gama

1.000 mLong. onda larga menor Energía

1 nm Long. onda más corta

mayor Energía

740 nm 400 nm

ESPECTRO ELECTROMAGN ÉTICO

luz visible

FIGURA 4-14 Un espectro de Energía.

© 2012 W. H. Freeman y

Company


8

FIGURA 4-15 Pigmentos de plantas.

Luz del sol

Luz reflejadaluz absorbida

Chlorophyll a

Chlorophyll b

Carotenoids

Chlorophyll a

Chlorophyll b

Carotenoids

Pigmentos fotosintéticos

Cant

idad

de

mol

écul

as d

e pi

gmen

tos

pres

ente

s en

hoj

as

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

PRIMAVERA

Luz reflejadaluz absorbida

OTOÑO

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

longitud de onda (nm)

Clorofila a Clorofila b Carotenoides

400 500 600 700

PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS

Abs

orci

ón d

e en

ergí

a

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



9

Sol

Clorofila

TILACOIDE Fotones

Estado de energía Normal

EnergíaPotentialmás alta

e-Estado más alto de energía

e-

e-

e-

e-

Parte de su Energía es transferida a una molécula cercana, donde excita a otro electrón .

e- e-

e-

e-

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

1

El electrón excitado generalmente tiene uno o dos diferentes destinos:

2

El electrón excitado es transferido a una molécula cercana.

o

Energía

MOVIMIENTO DE LA ENERGÍA A TRAVÉS DE LA CLOROFILA

FIGURA 4-16 Capturando energía lumínica como electrón excitado



10

FIGURA 4-18 Fotosistema II Rompe moléculas de agua.

Sol

e-

e-

e-

La Energía lumínica excita a los electrones presentes en una molécula de pigmento (como la Clorofila). La Energía de los electrones excitados es transferida a moléculas de pigmento vecinas

1

Cuando la Energía transferida excita a electrones en la molécula de Clorofila a , el aceptor primario de electrones los toma y los envía a la cadena de transporte de e-.

2

Para reemplazar electrones enviados a la cadena de transporte de e-, se produce rompimiento de las moléculas de Agua liberándose Oxígeno e hidrógeno como subproductos.

3Oxígeno liberado

a la atmósfera

Agua

Moléculapigmento

Cloroplasto TILACOIDE

Molécula deClorofila a

Aceptor primariode electrones

A la cadena deTransporte de e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

1

2

3

etalle Ādelárea

EL FOTOSISTEMA II (Rompimiento de la molécula de agua)

H+

H+H+

H+

El Oxígeno liberado en las reacciones "foto" es necesario para la mayor parte de la vida en la tierra, incluida la de los animales

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

ATP NADPH

Energía incorporada Moléculas deOxígeno

Luz solar

Cloroplasto

Agua

Clorofila

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

REACCIONES "FOTO"

Difunden fuera de la planta



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e-

e- e-Iones H+

e-

Sol Sol

e- e-e-

Oxígeno

Iones H+

AguaÁREA AUMENTADA

NADP+

TILACOIDE

ATPADP

NADPH

2 3 4FOTOSISTEMA QUE ROMPE MOLÉCULAS DE AGUA La Energía lumínica es usada para transferir electrones al aceptor primario de e-. Estos son donados por el Agua, liberando Oxígeno y iones de hidrógeno como subproductos.

1ª CADENA DE TRANSPORTE DE e- Electrones de alta energía son usados para bombear iones de H+ hacia el interior del tilacoides. La energía Cinética de la liberación de estos iones es usada para sintetizar ATP.

FOTOSISTEMA PRODUCTOR DE NADPH-El fotosistema productor de NADPH es idéntico al que rompe la molécula del agua, excepto que los electrones son donados por la cadena de transporte de e-.

2ª CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Los electrones de alta energía son transferidos al NADP+, creando NADPH, un transportador de e- de alta energía.

RESUMEN DE LOS COMPONENTES DE LAS REACCIONES "FOTO"

Flujo de electrones.

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

e-

e-

H+

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+

H+

e-

e- Al fotosistemagenerador de NADPH-

TILACOIDE

ESTROMABombas deprotones

Los electrones pasan desde el aceptor primario

1

2

Los electrones se mueven a través de la cadena de transporte de e-, liberando un poco de enrgía y cayendo a un estado de menor energía.La Energía liberada potencia la bomba de protones que mueven iones hidrógeno desde el ESTROMA y los acumula dentro del TILACOIDE. Los Protones salen raudamente del TILACOIDE con gran Energía cinética, la cual puede ser usada para sintetizar ATP.

3

ATPADP

2

1

3

Cloroplasto

TILACOIDE

ÁREA DE DETALLE

LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES FOTOSINTÉTICA

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


1


12

FIGURA 4-22 Síntesis de azúcar.

NADP+

Azúcar

Dióxido de C

Rubisco

G3P

ATP ADP

ATPADP

NADPH

P

EL CICLO DE CALVINFIJACIÓNLa enzima rubisco captura átomos de carbono de moléculas de CO2 presentes en el aire. Los átomos de Carbono son enlazados a una molécula orgánica.

1

REGENERACIÓNAlgunas moléculas de G3P son usadas para regenerar la molécula orgánica original usando la energía del ATP.

3

CREACIÓN DE AZÚCARLa molécula orgánica es modificada a un azúcar pequeño llamado G3P, usando energía del ATP y NADPH. Algunas moléculas de G3P se combinan para formar moléculas de 6 Carbono, tales como Glucosa o fructosa.

2

moléculaorgánica

P P

G3P

P

El ciclo de Calvin debe fijar 3 átomos de C provenientes del CO2 para sintetizar una molécula de G3P.

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

Azúcar

CO2

ATP NADPH

Dos Moléculas que almacenanenergía.

CICLO deCALVIN

Cloroplasto

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

REACCIONES "SÍNTESIS"


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Plantas C3 dominantes Plantas C4 dominantes

Ecuador

MÉTODOS DE FOTOSÍNTESIS: DISTRIBUCIÓN EN LA TIERRA

Maíz Hiedra común

FIGURA 4-25 FOTOSÍNTESIS.C3, C4 y CAM

DíaEstomasabiertos

Estomaspoco abiertos

Estomascerrados

Estomasabiertos

CICLO DECALVIN

VENTAJAS• Energía eficienteDESVENTAJAS• Agua perdida por evaporación

en climas cálidos

VENTAJAS• Pérdida de agua minimizada

en climas cálidosDESVENTAJAS• Requiere más Energía

VENTAJAS• Pérdida de Agua minimizada en climas cálidosDESVENTAJAS• Requiere más Energía• Crecimiento lento

AzúcarAzúcar Azúcar

Dióxido de C Dióxido de C

Día

CICLO DECALVIN

ABSORCIÓN DE C

Dióxido de C

Día

Noche

CICLO DECALVIN

ABSORCIÓN DE C

ATP ATP

FOTOSÍNTESIS C3 FOTOSÍNTESIS C4


FOTOSÍNTESIS CAM

Cactus

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.

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Photosynthesis: The ''Photo'' Reactions8. 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 glucose9. 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 molecules11. 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 levels12. 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'' Reactions13. What links the "photo" reactions with the "synthesis" reactions? a. light energy from the sunb. ATP and NADPHc. the electrons from waterd. carbon dioxide from the air14. 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 dioxideb. the organic moleculec. rubiscod. water16. 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.


14

FIGURA 4-30 Glicólisis.

1 FASE PREPARATORIA

Glucosa

Molécula inestable preparada para ser

degradada

2 FASE DE PAGO

ATP (2) ATP (4)

NADH (2)

−2 +4 +2ATPATP NADH

Agua

GLICÓLISIS

La Glicólisis ocurre en el citoplasma.

PIruvato (2)

ENERGÍA ADQUIRIDAEnergía OCUPADA

FIGURA 4-28 RESPIRACIÓN CELULAR -Panorama general.

Oxígenode la atmósfera

Dióxido decarbono liberadoa la atmósfera

Agua

Azúcar y otras moléculas de alimentos energéticas.

ATP

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

RESPIRACIÓN CELULAR

Agua EnergíaCO2+ ++

Oxígeno Azúcar

ATP

INPUT OUTPUT



15

Oxaloacetato

Molécula de6-carbonos

Molécula 4-carbono

A la cadena de transporte de e-

Acetil-CoA

SE HA FORMADO UNA NUEVA MOLÉCULA Una molécula de acetil-CoA entra al ciclo y se une al oxaloacetato, creando una molécula de 6 C.

1

OXALOACETATO ES RE-FORMADO, SE GENERA ATP Y SE FORMAN MÁS TRANSPORTADORES DE e- DE ALTA ENERGÍALa molécula de 4-carbonos remanente es reordenada para formar oxaloacetato. En el proceso, se forma ATP y los electrones son transferidos al NADH y FADH2.

3

SE FORMAN TRANSPORTADORES DE ELECTRONES DE ALTA ENERGÍA (NADH) y SE EXHALA CO2

La molécula de 6 carbonos dona electrones al NAD+, creando NADH. Son liberadas DOS moléculas de Dióxido de Carbono a la atmósfera .

2

CO2

NADH FADH2

ATP

NAD+NADH

NAD+

NADH

FAD

FADH2

CICLO DE KREBS

Se necesitan Dos vueltas del CICLO DE KREBS para desmanelar completamente nuestra molécula original de GLUCOSA.

×2

FIGURA 4-31 Preparación del piruvato.

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

1

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

2

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

3

Dióxido de Carbono

Al ciclo de Krebs

Piruvato

=

+

Coenzima A

Acetil-CoA

NAD+

NADH

PRODUCCIÓN DE ACETIL CoA

Modelo molecular del piruvato

Las modificaciones del piruvato ocurren en la mitocondria.

Glucosa

FIGURA 4-32 VISIÓN GENERAL DELCICLO DE KREBS.



16

FIGURA 4-34 La gran ganancia de Energía

En cada paso en la secuencia de transferencias de la cadena de transporte de electrones, estos caen a un nivel más bajo de energía, liberando un poco de su Energía.

Electrones de alta energía son transferidos desde los transportadores NADH y FADH2 a una serie de moléculas embebidas en la membrana mitocondrial interna, llamada CTE

1

Al final de la cadena, los electrones de baja energía se transfieren al oxígeno, que se combina luego con iones H+ libres para formar agua.

2

Los protones regresar rápidamente a la matriz mitocondrial, con gran energía cinética, la que se usa para sintetizar ATP.

La energía se utiliza para energizar bombas de protones , que bombean H+ desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana.

4

Oxígeno

H+

Espacio Intermembrana

Membrana interna mitocondrial

Matriz miocondrial

H+

e-

e-

H+ H+ H+

H+H+

e-

e-

NADH

FADH2

ATPADP

1

3

4

2

Agua

H+ H+H+

NAD+

FAD

LA CADENA DE TRANSPORTE DE e- MITOCONDRIAL

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

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

1

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

2

Espacio Intermembrana

Plano de sección transversal

Matriz mitocondrial

MITOCONDRIA:UNA VISIÓN CERCANA A SU ESTRUCTURA



17

Glucosa

Piruvato

Citoplasma

Piruvato

Oxígeno Agua

1 Glicólisis 2 ATP Netos

CO2

CO2

ATP

ATP

mitocondria

PRODUCCIÓN

DE ACETIL CoA2

3 CICLO DE KREBS 2 ATP netos

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Ca. 25 ATP netos

4

ATP

Acetil-CoA

e-

e-

RESUMEN DE LA RESPIRACIÓN CELULAR

NADH FADH2

Cada paso en la degradación del alimento aumenta la cantidad de energía útil que es generada.

FIGURA 4-35 Los pasos de la RESPIRACIÓN CELULAR: Desde la glucosa hasta la energía útil.

© 2012 W. H. Freeman y Company.


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FIGURA 4-39 “Alta flexibilidad”

Glicólisis

Grasas Carbohidratos Proteínas

Ác. grasos Glicerol Azúcares simples Compuestos de C

Grupo Amino

Usado en laproducción de tejido o excretado como desecho

Acetil-CoA

Ciclo de Krebs

Cadena de transporte de e-

Energía

ENERGÍA DE GRASAS, CARBOHIDRATOS Y PROTEÍNASPROTEINS

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

RESPIRACIÓNCELULAR

FERMENTACIÓN

Electrones generados del proceso de glicólisis y del ciclo de KREBS e-

e-e-

ACEPTOR DEELECTRONES

Oxígeno

Oxígenopresente

Oxígenoausente

PRODUCTO FINAL PRODUCTO FINAL PRODUCTO FINAL


Acetaldehido


Piruvato

Agua Ácido láctico Etanol

¡Realizar Esfuerzo sin suficiente Oxígeno conduce a

dolores en animales, pero a alcohol en levaduras!

EN ANIMALES en levaduras


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