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2.20: Cloroplastos - Biología

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¿Qué tienen en común los panqueques y los cloroplastos?

El cloroplasto es el sitio de la fotosíntesis. Parte de las reacciones de fotosíntesis ocurren en una membrana interna dentro del orgánulo. El cloroplasto contiene muchas de estas membranas internas, lo que hace que la fotosíntesis sea muy eficiente. Estas membranas internas se apilan una encima de la otra, como una pila de panqueques.

Etapas de la fotosíntesis

La fotosíntesis ocurre en dos etapas, que se muestran en Figura debajo.

  1. La etapa I se llama reacciones de luz. Esta etapa usa agua y cambia la energía lumínica del sol en energía química almacenada en ATP y NADPH (otra molécula portadora de energía). Esta etapa también libera oxígeno como producto de desecho.
  2. La etapa II se llama ciclo de Calvin. Esta etapa combina el carbono del dióxido de carbono en el aire y utiliza la energía química del ATP y NADPH para producir glucosa.

Las dos etapas de la fotosíntesis son las reacciones a la luz y el ciclo de Calvin. ¿Ves cómo se relacionan las dos etapas?

Antes de leer sobre estas dos etapas de la fotosíntesis con mayor detalle, necesita saber más sobre el cloroplasto, donde tienen lugar las dos etapas.

El cloroplasto

Cloroplastos: teatros para la fotosíntesis

Fotosíntesis, el proceso de convertir la energía de la luz solar en "alimento", se divide en dos conjuntos básicos de reacciones, conocidas como reacciones de luz y ciclo de Calvin, que utiliza dióxido de carbono. A medida que estudie los detalles de otros conceptos, consulte con frecuencia la ecuación química de la fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O + Energía luminosa → C6H12O6 + 6O2. La fotosíntesis ocurre en el cloroplasto, un orgánulo específico de las células vegetales.

Si examina una sola hoja de una hoja de jazmín de invierno, que se muestra en Figura a continuación, bajo un microscopio, verá dentro de cada celda decenas de pequeños óvalos verdes. Estos son cloroplastos, los orgánulos que realizan la fotosíntesis en plantas y algas. Los cloroplastos se parecen mucho a algunos tipos de bacterias e incluso contienen su propio ADN circular y ribosomas. De hecho, el teoría endosimbiótica sostiene que los cloroplastos alguna vez fueron bacterias que vivían de forma independiente (procariotas). Entonces, cuando decimos que la fotosíntesis ocurre dentro de los cloroplastos, no solo hablamos de los orgánulos dentro de las plantas y las algas, sino también de algunas bacterias; en otras palabras, prácticamente todos los autótrofos fotosintéticos.

Fotografía microscópica de alta resolución de la parte superior de una hoja de jazmín de invierno. Vistos al microscopio, son visibles muchos cloroplastos verdes.

Cada cloroplasto contiene pilas ordenadas llamadas grana (singular, granum). La grana consta de membranas en forma de saco, conocidas como tilacoide membranas. Estas membranas contienen fotosistemas, que son grupos de moléculas que incluyen clorofila, un pigmento verde. Las reacciones a la luz de la fotosíntesis ocurren en las membranas tilacoides. los estroma es el espacio fuera de las membranas tilacoides, como se muestra en Figura debajo. Aquí es donde tienen lugar las reacciones del ciclo de Calvin. Además de las enzimas, hay dos tipos básicos de moléculas: pigmentos y portadores de electrones - son actores clave en este proceso y también se encuentran en las membranas tilacoides.

Puede realizar un recorrido en vídeo de un cloroplasto en Enciclopedia Británica: Cloroplasto: www.britannica.com/EBchecked / ... en-células-vegetales.

Un cloroplasto consta de membranas tilacoides rodeadas de estroma. Las membranas tilacoides contienen moléculas del pigmento verde clorofila.

Las moléculas portadoras de electrones suelen estar dispuestas en cadenas de transporte de electrones (ETC). Estos aceptan y pasan electrones portadores de energía en pequeños pasos (Figura debajo). De esta manera, producen ATP y NADPH, que almacenan temporalmente energía química. Los electrones en las cadenas de transporte se comportan como una pelota que rebota por un tramo de escaleras: se pierde un poco de energía con cada rebote. Sin embargo, la energía "perdida" en cada paso de una cadena de transporte de electrones logra un poco de trabajo, que eventualmente resulta en la síntesis de ATP.

Esta figura muestra las reacciones lumínicas de la fotosíntesis. Esta etapa de la fotosíntesis comienza con el fotosistema II (llamado así porque fue descubierto después del fotosistema I). Encuentre los dos electrones (2 e-) en el fotosistema II, y luego seguirlos a través de la cadena de transporte de electrones (también llamada cadena de transferencia de electrones) hasta la formación de NADPH. ¿Dónde se encuentran los iones de hidrógeno (H+) provienen de esa ayuda para producir ATP?

Resumen

  • La fotosíntesis ocurre en el cloroplasto, un orgánulo específico de las células vegetales.
  • Las reacciones de luz de la fotosíntesis ocurren en las membranas tilacoides del cloroplasto.
  • Las moléculas portadoras de electrones están dispuestas en cadenas de transporte de electrones que producen ATP y NADPH, que almacenan temporalmente energía química.

Explora más

Utilice este recurso para responder las siguientes preguntas.

  • http://www.hippocampus.org/Biology → Non-Majors Biology → Buscar: Estructuras fotosintéticas
  1. ¿Cuáles son las funciones de las hojas de una planta?
  2. ¿Dónde ocurren las reacciones fotosintéticas?
  3. ¿Qué es un estoma? Cual es su papel?
  4. Describe la estructura interna de un cloroplasto.
  5. ¿Qué reacciones ocurren en las membranas tilacoides?

Revisar

  1. Describe el papel del cloroplasto en la fotosíntesis.
  2. Explica cómo la estructura de un cloroplasto (sus membranas y tilacoides) hace que su función (las reacciones químicas de la fotosíntesis) sea más eficiente.
  3. Describe los portadores de electrones y la cadena de transporte de electrones.

Cloroplastos - Muéstrame el verde

Cloroplastos son los productores de alimentos de la célula. Los orgánulos solo se encuentran en células vegetales y algunos protistas como las algas. Las células animales no tienen cloroplastos. Los cloroplastos funcionan para convertir la energía luminosa del sol en azúcares que pueden ser utilizados por las células. Todo el proceso se llama fotosíntesis y todo depende de las pequeñas moléculas de clorofila verde en cada cloroplasto.

Las plantas son la base de toda la vida en la Tierra. Están clasificados como los productores del mundo. En el proceso de fotosíntesis, las plantas crean azúcares y liberan oxígeno (O2). El oxígeno liberado por los cloroplastos es el mismo oxígeno que respira todos los días. Las mitocondrias funcionan en la dirección opuesta. Utilizan oxígeno en el proceso de liberación de energía química de los azúcares.


2.20: Cloroplastos - Biología

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En las plantas, la fotosíntesis tiene lugar dentro de las densas capas de células del mesófilo de las hojas, donde se encuentra el mayor número de cloroplastos.

Dispersos a lo largo de estos orgánulos especializados de doble membrana hay otro conjunto de compartimentos. Sacos membranosos llenos de líquido llamados tilacoides, que están interconectados y se forman en múltiples pilas llamadas grana.

En los bordes exteriores de cada granum, incrustados dentro de las membranas tilacoides, hay complejos multiproteicos como los fotosistemas. Estas estructuras contienen las proteínas de la antena unidas con numerosas moléculas de pigmento, como las clorofilas, para absorber la luz y comenzar la primera etapa de reacciones dependientes de la luz.

Mientras tanto, la segunda etapa, el ciclo de Calvin, tiene lugar en el estroma, la cavidad acuosa fuera de la bicapa lipídica de los tilacoides. Con ambos procesos trabajando juntos, las plantas producen sus propios alimentos gracias a las fábricas bioquímicas que se encuentran en el cloroplasto.

9.3: Anatomía de los cloroplastos

Las algas y plantas verdes, incluidos los tallos verdes y la fruta inmadura, albergan cloroplastos y mdash, los orgánulos vitales donde tiene lugar la fotosíntesis. En las plantas, la mayor densidad de cloroplastos se encuentra en las células del mesófilo de las hojas.

Una doble membrana rodea a los cloroplastos. La membrana externa se enfrenta al citoplasma de la célula vegetal por un lado y al espacio intermembrana del cloroplasto por el otro. La membrana interna separa el estrecho espacio intermembrana del interior acuoso del cloroplasto, llamado estroma.

Dentro del estroma, otro conjunto de membranas forma compartimentos en forma de disco, conocidos como tilacoides. El interior de un tilacoide se llama luz tilacoide. En la mayoría de las especies de plantas, los tilacoides están interconectados y forman pilas llamadas grana.

Incrustados en las membranas tilacoides hay complejos de recolección de luz (o antena) de múltiples proteínas. Estos complejos consisten en proteínas y pigmentos, como la clorofila, que capturan la energía luminosa para realizar las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz. Estos procesos liberan oxígeno y producen energía química en forma de ATP y NADPH.

La segunda parte de la fotosíntesis y el ciclo de Calvin es independiente de la luz y tiene lugar en el estroma del cloroplasto. El ciclo de Calvin captura CO2 y utiliza ATP y NADPH para producir finalmente azúcar.

Los cloroplastos coordinan las dos etapas de la fotosíntesis. La fotosíntesis libera oxígeno y azúcares y es la base de la biomasa vegetal que, directa o indirectamente, alimenta a la mayor parte de la vida en la Tierra.

Jensen, Poul Erik y Dario Leister. & ldquoEvolución, estructura y funciones del cloroplasto. & rdquo Informes F1000Prime 6 (2 de junio de 2014). [Fuente]

Bobik, Krzysztof y Tessa M. Burch-Smith. & ldquoSeñalización de cloroplasto dentro, entre y más allá de las células. & rdquo Fronteras en la ciencia de las plantas 6 (2015). [Fuente]


Los cloroplastos artificiales convierten la luz solar y el dióxido de carbono en compuestos orgánicos

Al igual que los mecánicos improvisan piezas de motores viejos para construir un nuevo roadster, los biólogos sintéticos han rehecho los cloroplastos, el motor en el corazón de la fotosíntesis. Al combinar la maquinaria de recolección de luz de las plantas de espinaca con enzimas de nueve organismos diferentes, los científicos informan que hacen un cloroplasto artificial que opera fuera de las células para recolectar la luz solar y usar la energía resultante para convertir el dióxido de carbono (CO2) en moléculas ricas en energía. Los investigadores esperan que su sistema de fotosíntesis mejorado eventualmente pueda convertir CO2 directamente en productos químicos útiles, o ayudar a las plantas genéticamente modificadas a absorber hasta 10 veces el CO atmosférico2 de los regulares.

"[Esto] es muy ambicioso", dice Frances Arnold, una ingeniera química del Instituto de Tecnología de California que no participó en la investigación. Ella dice que el esfuerzo del trabajo para reprogramar la biología podría mejorar los intentos de convertir CO2 directamente en productos químicos útiles.

La fotosíntesis es un proceso de dos pasos. En los cloroplastos, las moléculas de clorofila absorben la luz solar y pasan la energía extra a los socios moleculares que la utilizan para generar los químicos que almacenan energía: adenosina trifosfato (ATP) y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). Un conjunto de otras enzimas que trabajan en un ciclo complejo luego usan ATP y NADPH para convertir CO2 del aire a glucosa y otras moléculas orgánicas ricas en energía que la planta utiliza para crecer.

CO2 la conversión comienza con una enzima llamada RuBisCO, que provoca CO2 reaccionar con un compuesto orgánico clave, iniciando una cadena de reacciones necesarias para producir metabolitos vitales en las plantas. Tan eficaz como es la fotosíntesis, también tiene un problema, dice Tobias Erb, biólogo sintético del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre. “RuBisCO es muy lento”, dice. Cada copia de la enzima puede tomar y usar solo de cinco a 10 CO2 moléculas por segundo. Eso pone un límite de velocidad a la rapidez con que las plantas pueden crecer.

En 2016, Erb y sus colegas buscaron acelerar las cosas mediante el diseño de un nuevo conjunto de reacciones químicas. En lugar de RuBisCO, lo sustituyeron por una enzima bacteriana que puede atrapar CO2 moléculas y las obligan a reaccionar 10 veces más rápido. En combinación con otras 16 enzimas de nueve organismos diferentes, esto creó un nuevo CO2-a-ciclo-químico-orgánico que llamaron el ciclo CETCH.

Eso se encargó del segundo paso. Pero para que todo el proceso se ejecute con luz solar, el primer paso, Erb y sus colegas recurrieron a componentes de cloroplasto llamados membranas tilacoides, conjuntos en forma de bolsa que contienen clorofila y otras enzimas fotosintetizantes. Otros investigadores habían demostrado previamente que las membranas tilacoides pueden operar fuera de las células vegetales. Así que Erb y sus colegas extrajeron membranas de tilacoides de las células de las hojas de espinaca y demostraron que sus conjuntos también podían absorber luz y transferir su energía a las moléculas de ATP y NADPH. El emparejamiento de los tilacoides de recolección de luz con su sistema de ciclo CETCH permitió al equipo usar la luz para convertir continuamente el CO2 a un metabolito orgánico llamado glicolato, informaron ayer en Science.

Para integrar el aparato de recolección de luz con el ciclo CETCH, los investigadores tuvieron que hacer algunos ajustes, señala Erb, intercambiando algunas de las enzimas de la vía CETCH. Para optimizar el conjunto completo, Erb y sus colegas se unieron a Jean-Christophe Baret, un experto en microfluidos del Centro de Investigación Paul Pascal. El equipo de Baret diseñó un dispositivo que genera miles de pequeñas gotas de agua en aceite e inyecta cada una con diferentes cantidades de conjuntos de membranas tilacoides y enzimas del ciclo CETCH. Eso permitió a los investigadores encontrar la receta más eficiente para producir glicolato. Más comparaciones de todas las posibles combinaciones y concentraciones de diferentes elementos podrían hacer que el proceso sea aún más eficiente, comenta Arnold. "Esta es una buena manera de hacerlo".

Erb dice que él y sus colegas esperan modificar aún más su configuración para producir otros compuestos orgánicos que son incluso más valiosos que el glicolato, como las moléculas de fármacos. También esperan convertir de manera más eficiente el CO capturado2 en compuestos orgánicos que las plantas necesitan para crecer. Eso abriría la puerta a la ingeniería genética de esta nueva vía de fotosíntesis en cultivos para crear nuevas variedades que crezcan mucho más rápido que las variedades actuales, una bendición para la agricultura en un mundo con una población en auge.


Ver el vídeo: FOTOSSÍNTESE NA PROVA DO ENEM 2017 - QUESTÃO 12 (Noviembre 2022).