Fisiologia vegetal

TEMA 1 Y 2: FOTOFISIOLOGÍA Y FOTOSÍNTESIS La energía de la vida proviene fundamentalmente del sol, y son las plantas las capaces de asimilarla. La energía del sol se utiliza, fundamentalmente, para procesos de oxido-reducción, que consiste en reducir el CO₂ a carbohidratos mediante la utilización de la energía lumínica. El CO₂ se reduce y el donador de e- se oxida (A)

CO₂ + 2H2A ---> (CH2O) + H2O + 2A CO₂ + 2H2O --> (CH2O) + H2O + O₂ (plantas superiores, se conoce como fotosíntesis oxigénica. CoO + 2H2S --> (CH2O) + H2O + 2S fotosíntesis anoxigénica

La mayor parte de la radiación de onda corta es retenida por la atmósfera. Esta radiación es mutagénica. Además de aportar calor y energía, la luz es una fuente de información muy importante. Desde el punto de vista fotofisiológico, la radiación comprendida entre el UV y el infrarrojo, y más en concreto, las respuestas fotosintéticas están comprendidas entre 400-700nm (PAR). Las radiaciones van a ser absorbidas por los pigmentos: clorofilas a y b, carotenoides y en el caso de algas rojas y cianobacterias tienen ficobilinas. La radiación es una onda electromagnética, se sabe que la luz tiene características tanto de onda como de partícula. Las ondas se definen por su longitud y por su frecuencia. El espectro electromagnético está constituido por ondas electromagnéticas de distinta frecuencia o longitud de onda, abarcando desde las ondas de mayor longitud y menor energía, como las ondas de radio y televisión, hasta las ondas de menor longitud y mayor energía, como los rayos gamma. La radiación luminosa ocupa una pequeña franja del espectro, que va desde los 400 a los 700nm, y se sitúa entre las radiacions ultravioletas y las infrarrojas, y constituye la llamada radiación fotosintética activa (PAR).

La radiación luminosa también se llama radiación visible (VIS) porque el ojo humano es un órgano sensible que nos permite ver esa radición. La luz blanca está constituida por la conjugación de todas las radiaciones luminosas de distinto color: luz violteta, verde, azul, amarillo, naranja y roja. El proceso global de captación de energía lo hacen mediante un proceso de oxido-reducción desprendiendo oxígeno. El CO₂ se reduce y el agua se oxida a oxígeno molecular. La reacción requiere aporte de energía, 2840Kj/mol hexosa, por cada C aprox 475KJ/mol CO₂. Es una reacción endergónica. El sol emite radiación de longitudes de onda comprendidas entre los 200-9000nm. Mas del 90% de es espectro queda retenido por las capas altas de la atmósfera. Lo que llega las plantas son radiaciones entre 300-900nm. La restante radiación queda retenido por ozono, oxigeno, vapor de agua, el propio CO₂. La radiación UV por debajo de 400nm es retenida por el ozono y no llega a la Tierra. La onda corta produce ruptura de átomos y moléculas produciéndose radicales libres dañinos. Por encima de 700nm, microondas, producen vibraciones intramoleculares produciéndose calor. Entre 400 y 700nm es el espectro de radiación que va a producir las radiaciones fisiológicas. La energía con la que están retenidos los e- en sus orbitales depende de la distancia entre el núcleo (cargas positivas) y orbitales (cargas negativas). Un e- está en su orbital porque está retenido por la fuerza de su núcleo. El e- puede pasar a un orbital más externo, e- excitado, es inestable, tendrá tendencia a perder la energía para que el e- regrese al estado basal. Ese salto energético para que pase a su estado excitado es la energía que recibe del fotón. Dependiendo de la energía del fotón, el e- puede pasar a un orbital más externo. Los fotorreceptores son las moléculas de los pigmentos: clorofilas. Cuando está en estado basal los e- están apareados. Primer nivel de excitación, estado de singlete excitado, la molécula es inestable y tiene tendencia de volver al estado basal, tiene que disipar la energía recibida. 1. La puede perder en forma de calor y el e- vuelve a su orbital girando en sentido antiparalelo. 2. También la puede perder por un proceso de transferencia de excitón, hacia una molécula en condiciones adecuadas que le permite recibir la energía de excitación, que son ondas vibracionales mediante un proceso denominado resonancia inductiva o tipo Foster. Es lo que ocurre en los sistemas antena de los fotosistemas. No son emisiones de fotones, ni tampoco en forma de e-, sino en forma forma de excitones que son ondas vibracionales. 3. Proceso de fluorescencia. Duración de 10-9 10-8 nanose 4. Procesos fotoquímicos. Transferencia e- desde la clorofila a los intermediarios de la fotosíntesis. 5. Parte de la energía captada se utilice para revertir el espín del orbital mas externo. Tenemos una molécula de excitación de larga vida o estado de triplete. Proceso que implica la necesidad de volver a revertir el espín para que esté en la forma original. En este proceso de cambio espín suele durar 10-4-1seg. La energía se emite en forma de radiación. Fosforescencia: del estado de triplete volver al estado basal, no se conoce que tenga implicación fotosíntesis.

En condiciones normales una hoja que recibe radiación mas del 95% energía que absorbe la utiliza en procesos fotoquímicos y menos del 5% la reemite en forma de fluorescencia. Si aislamos los pigmentos y los disolvemos en acetona, los pigmentos serán verdes. Si ponemos el tubo a la luz tiene una coloración roja, que es la fluorescencia. Los pigmentos aislados emiten hasta un 30% más de energía en forma de fluorescencia. La eficiencia fotoquímica del PSII viene determinado entre la fluorescencia , cuando una planta está en buenas condiciones la eficiencia de este fotosistema suele ser alrededor de 0,8. Si está sometida a estrés este coeficiente puede disminuir.

Mediante espectros de acción y espectro de absorción, se conoce que las clorofilas absorben luz. En Chlorella pyrenosidosa, una forma de determinar la fotosíntesis es analizando el CO₂ fijado o el 02 desprendido. Ponemos el alga y la iluminamos con diferentes longitudes de onda y vamos viendo la cantidad de O₂ desprendido, esto es el espectro de acción. Trituramos el alga y separamos las moléculas constituyentes (clorofilas, proteínas, lípidos…) y hacemos el mismo tipo de ensayo observando el espectro de absorción en función de la longitud de onda. Comparamos el espectro de absorción de clorofilas con el espectro de acción de la planta y observamos que son muy parecidos. Por lo tanto, podemos concluir que las clorofilas son las responsables de la absorción de la luz. Problema de que el espectro de la molécula cuando está aislada y cuando está en la planta puede variar.

Aspectos históricos En los años 30, los fisiólogos habían conseguido observar el proceso completo de la fotosíntesis, pero la extracción de cloroplastos siempre fracasaba. Los primeros avances los llevó a cabo Robert Hill, que observó el desprendimiento de oxígeno, utilizó aceptores artificiales de e-. Estableció que la luz rompía el agua. A esos compuestos artificiales se les conoce como reactivos de Hill. En los años 50, Severo Ocho y Vichnac descubrieron que el NADP erera un reactivo de Hill fisiológico. Arnon demostró que los cloroplastos iluminados podían sintetizar ATP a partir de ADP y Pi. Después se vio que los productos de la fase luminosa eran utilizados en la fase oscura. También se descubrió que en el proceso de transferencia de e-, también participan distintos intermediarios que canalizan, sin los transportadores de e- relacionados con la membrana tilacoidal. Blanckma observó la respuesta fotosintética que se producía en función de la intensidad luminosa que daba al sistema. A media que aumentaba se producía una respuesta curvilínea, a partir de que en un punto, a media que se elevaba la intensidad no aumentaba la respuesta fotosintética. Dedujo que a partir de este punto, los procesos no dependían de la luz. Emerson y Arnold iluminaban con destellos muy cortos observando la respuesta, confirmando la relación entre la intensidad y la respuesta. La fase luminosa independiente de la temperatura y la oscura dependiente de la temperatura. Observaron la importancia del intervalo oscuro, el tiempo entre dos destellos, vieron que se alcanzaban las mas altas tasas de noseq, para recuperar el NADPH. La energía luminosa es transformada en energía redox, que se requiere para salvar el salto energético desde el agua al NADP que es equivalente a la diferencia de potencial entre el agua al NADP. Los e- tienen que ir desde una molécula con energía positiva al NADP que tiene energía negativa, no es espontánea, necesita entrada de energía equivalente a 1,16eV por e-. La radiación tomada por el PSII y PSI.

Fase luminosa: 2H20 --> O₂ + 4e- + 4H+ Fase oscura: CO₂ + 4e- + 4H+ --> CH2O + H2O

Rendimiento cuántico: 0,1 o 10% en el proceso de liberación de oxígeno.

TEMA 3: PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Carotenoides y ficobilinas son pigmentos accesorios, pues su energía es previamente transferida a la clorofila a. Clorofila y carotenoides insolubles en agua y solubles en disoolventes orgánicos. Ficobilinas solubles en agua.

CLOROFILA La molécula de clorofila fue descubierta en 1905 por Willstater recibiendo el premio Nobel de Química. Es una macromolécula plana formada por 4 anillos pirrólicos con con C y N y, por lo tanto, heterocíclicas que forman un macrociclo con distintos sustituyentes laterales. En posición centrada en el tetrapirrol tienen un átomo de Mg++ unido a los N de los 4 anillos pirrólicos con enlaces de tipo covalente y con dos átomos de N con enlaces de colinación, en los que los e- del N no son compartidos por el Mg. Existe un 5 anillo que es una ciclpentanona, unido al pirrol 4 y, a través, de un residuo propiónico unido al átomo 7 del anillo 4, está esterificada una larga cola de 20 átomos de C denominada fitol. Lo que caracteriza al macrociclo es que posee 10 dobles enlaces conjugados, permitiendo que absorban radiación dentro de su espectro. Todas las moléculas que tienen dobles enlaces, hasta la más sencilla, absorben radiación. La molécula de clorofila que ha perdido la cola de fitol se denomina clorofilida. La clorofilasa se encarga de romper el enlace éster del fitol. La molécula de clorofila sin el átomo central de Mg++ se denomina feofitina (pero con el fitol). La magnesio desquelatasa se encarga de liberar al magnesio. Esta molécula es el primer aceptor de e- de la cadena transportadora del cloroplasto. Dependiendo del sustituyente en el C3 del A2 tenemos clorofila a si es un grupo metilo, y clorofila b si es un grupo aldehído. Las plantas superiores además de clorofila a tienen clorofila b en relación 2-3:1. La pequeña diferencia en el radical hace que la absorción varíe. Las algas pardas, diatomeas, y dinoflagelados tienen clorofila c, que se diferencia en los sustituyentes del A2, y el sustituyente del C7 del A4, que en vez de tener un resto propiónico tienen un resto propénico, es decir, con un doble enlace. No tienen fitol. Y poseen unos máximos de absorción de entre 447-579-627nm. Las algas rojas tienen la clorofila d, mucho menos abundante, que se diferencia de la clorofila a en el C2 del pirrol 1, pues tiene un residuo metanoico. Posee un máximo de absorción en 670nm. Las bacterias tienen bacterioclorofilas, con máximos de absorción en el rojo-rojo lejano de entre 700-710 nm. Las clorofilas de Chlorobium tienen distintos sustituyentes: la cadena isoprenoide unida al resto propiónico en lugar de ser de 20C solo de 15C, pasándose a denominarse farnesol. Con máximos a 750nm. Evolutivamente serían ancestros de las clorofilas de las plantas superiores.

CAROTENOIDES Son poliisoprenoides o compuestos terpenoides que derivan del isopreno conocido también como metil-butadieno. Son tetraterpenos constituidos por 40C, de color amarillo-naranja, con numerosos dobles enlaces conjugados. Pueden ser de dos tipos:

• Carotenos. Constituidos por C y H. Los más conocidos son los α y β caroteno. Poseen máximos de absorción de entre 450-490nm, es decir, en la zona del azul-violeta. Poseen el papel de pigmentos accesorios que ceden la energía captada a la clorofila. Son moléculas de fotoprotección: captan la energía de la clorofila cuando está en estado excitado disipándola en forma de calor y evitando la formación de radicales libres. A partir del β caroteno o provitamina A se forma la vitamina A, responsable de la visión. El golden rice, es un arroz al que se le introdujeron enzimas para producir β caroteno para poder sintetizar vitamina A.

• Xantofilas. Además tienen O. Son muy numerosas y las más importantes son: luteína, violaxantina, ceaxantina y anteraxantina en las plantas superiores.

FICOBILINAS Es un tetrapirrol abierto con la misma ruta síntesis que las clorofilas. Se denomina cromóforo a la molécula captadora de la radiación lumínica en sentido general (carotenos, clorofila etc). Las ficobilinas se unen a proteínas por enlaces éster a residuos de Ser y puentes azufre con Cys. La unión de ficobilinas con proteínas forman las ficobiliproteínas. Posee un espectro absorción entre 480-670nm, en el verde-anaranjado. • Ficoeritrobilina. Roja. • Ficocianobilina. Azul.

De todo el espectro que llega a la tierra 300-800nm, toda la radiación puede ser utilizada por diferentes organismos.

FITOCROMO Absorbe de 660-730nm. Fotorreceptor del rojo que interviene en procesos fotomorfogenéticos. Se une a proteínas, al cambiar de configuración cis a transcripción absorbe diferente longitud onda. Cis absorbe rojo y trans730nm. La forma activa es la de infrarrojo la de trans. Regula la germinación de algunas semillas fotoblásticas, que necesitan luz para germinar. Interviene en procesos de desetiolación. Se dice que planta etiolada cuando crece a la oscuridad, cuando tienen los entrenudos muy alargados, son plantas amarillentas.