> Bases fotosintéticas para el diseño de estructuras protegidas <

Universidad de Córdoba

Facultad de Ciencias Agrícolas

Programa de Ingeniería Agronómica

Luis Alfonso R´guez-Paez

larguez@fca.edu.co

@larguez

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Definir el proceso de fotosíntesis
• Relacionar la estructura de los cloroplastos con su función.
• Repasar las reacciones fotoquímicas y bioquímicas de la fotosíntesis.
• Identificar las reacciones enzimáticas que conducen a la fijación de CO2.
• Reconocer otras rutas de fijación de CO2 (ciclos C4 y CAM)
• Comparar la morfoanatomía, bioquímica y fisiología de plantas con diversas rutas fotosintéticas (C-3, C-4 y CAM)
• Analizar las implicaciones ecológicas de la diferenciación fotosintética.
• Analizar los factores limitantes de la fotosíntesis

CONTENIDOS

• Consideraciones Generales: Definición, localización, reacciones fundamentales, importancia.
• Asimilación del Carbono:
• Ciclo dicarboxílico (C4)
• Metabolismo ácido de las crasulaceas (CAM)
• Características y diferencias entre plantas C3 C4 y CAM
• Consideraciones ecológicas generales de la adaptación de los diferentes mecanismos de fijación de CO2
• Factores, internos y externos, que afectan el proceso fotosintético

La fotosíntesis es un proceso fundamental en la biosfera cuyo estudio es esencial para comprender los procesos productivos en las plantas.

Del proceso fotosintético proviene toda la materia orgánica, además del O₂ atmosférico

La fotosíntesis comprende un conjunto de reacciones bioquímicas resumidas en la siguiente reacción:

CO2 + H2O (CH₂O) + O₂

IMPORTANCIA

Carbohidratos

FOTOSINTESIS

LOCALIZACION DEL PROCESO

Órgano fotosintético

Orgánulos fotosintético

Estructura del Cloroplasto

Control el transito de moléculas (dentro y fuera)

Pigmento fotosintéticos

(oxidar el agua y formar ATP y NADPH),

Las enzimas convierten el CO2 en carbohidratos, especialmente almidón.

FASES DE LA FOTOSINTESIS

2. La fase independiente de la luz (reacciones de oscuridad): los productos de las reacciones de luz son utilizados para formar enlaces covalentes carbono-carbono (C-C), de los carbohidratos.

1. Fase de dependiente de la luz (reacciones luminosas): requiere la energía directa de la luz

FASE LUMINICA

FASE LUMINICA

ANTENAS CAPTADORAS DE LUZ

Fotosistema

Cada fotosistema contiene carotenos, clorofilas y proteínas. Estas moléculas captan la energía luminosa y la ceden a las moléculas vecinas presentes en cada fotosistema hasta que llega a una molécula de clorofila-a denominada molécula diana.

Las diferentes sustancias captan luz de diferente longitud de onda. De esta manera, gran parte de la energía luminosa es captada.

FASE LUMINICA

La ruta completa de asimilación del CO₂ fue descrita por Calvin y col.

​

Posee tres fases:

• Fijación del CO₂ (carboxilación de ribulosa bifosfato)
• Reducción del carbono (con aporte de energia y poder reductor)
• Regeneración de la Ribulosa bifosfato (requiere aporte de ATP)

​

FASE OSCURA

Gliceraldehido 3 P

Ribulosa 5 P

Acido 1,3 Difosfoglicerico

Acido Fosfoglicerico

Ribulosa 1,5-difosfato

NADPH

NADP+

REDUCCION

SACAROSA Y ALMIDON

(CARBOHIDRATOS)

ATP

ADP

REGENERACION

ATP

ADP

FOSFORILACION

CARBOXLACION

CO²

CICLO DE CALVIN

(C3)

6CO2 + 18ATP + 12 NADPH

HEXOSA-P + 18ADP + 12 NADP+

Fotorrespiración

• Involucradas 3 organelas: cloroplastos, peroxisoma y mitocondria.
• Se incrementa en la medida que la concentración de oxigeno aumenta ya que la RUBISCO trabaja como oxigenasa.

• Proceso respiratorio no mitocondrial que consume O₂ y produce CO₂ en presencia de luz.

​

Fotorrespiración

Disminuye la eficiencia fotosintética

Fotorrespiración

• Reduce el número de moléculas de acido fosfoglicerico que potencialmente entrarían al ciclo de Calvin para producir azúcares y otros compuestos.

Al aumentar las temperaturas se favorece más el proceso de fotorrespiración que el de fotosíntesis (la afinidad de la RUBISCO por el CO₂ disminuye, pero se mantienen igual su afinidad por el O₂).

MECANISMOS DE ASIMILACION DEL CO₂

• PLANTAS C3: Presentan el 3-PGA como primer compuesto formado con el CO2 fijado (triosa fosfato: 3C) (ver Ciclo de Calvin).

• PLANTAS CAM: similares a las C4 pero las dos carboxilaciones están separadas en el tiempo (día-noche)

• PLANTAS C4: acido málico como primer compuesto formado con el CO₂ fijado (4 carbonos: 4C). Dos carboxilaciones y dos enzimas: PEP carboxilasa y Rubisco

ME�T�A�B�O�L�I�SMO

C4

ME�T�A�B�O�L�I�SMO

CAM

Enzima

NADP* málico

Anatomía Foliar Comparada

CAM

TIPOS DE MECANISMOS DE ASIMILACION DEL CO₂

Déficit de presión de vapor (DPV)

Es la cantidad de agua que se requiere en un momento dado para saturar la atmósfera de agua a una temperatura y presión dada, esto nos indica la diferencia entre el agua que tiene el aire (humedad) y la que se le puede suministrar (diferencial), además, nos muestra que la suma de ambas provoca la generación de rocío o agua que no es capaz de contenerse en el aire y se condensa.

https://www.fertibox.net/single-post/__dpv

• Las C4 tienen mayor capacidad de producción de materia orgánica que las C3 ya que no poseen foto respiración

CONSIDERACIONES ECOLOGICAS PARA LOS DIFERENTES MECANISMOS DE ASIMILACION DE CO2

• Las C4 tienen mayor capacidad competitiva en climas cálidos y secos que las C3, ya que hacen un uso más eficiente del agua, tienen mayor capacidad fotosintética, menor dependencia térmica y no se saturan de luz

• Las C3 son menos eficientes en condiciones de escaso suministro de agua pues los estomas se cierran y ellas no presentan un mecanismos concentrador de CO² interno.

CONSIDERACIONES ECOLOGICAS….

• Las C3 tienen ventajas sobre las C4 en climas fríos ya que sus temperaturas optimas para crecimiento (20-25ºC) y fotosíntesis (15-25ºC) son menores que para las C4

• Las CAM ocupan hábitat áridos y desérticos excluyentes para C3 y C4 por que fijan el CO2 en las noches

CONSIDERACIONES ECOLOGICAS….

• Las C3 son más eficientes fotosinteticamente en lugares sombreados que las C4 pues su punto de compensación de luz es menor

Eficiencia en la utilización del agua

• En condiciones de adecuado suministro de agua las MAC están excluidas

MAC>C4>C3

C4 aridez fluctuante con periodos largos

CAM ambientes con aridez cíclica diurna

Hábitats con alta irradiación y temperatura donde el régimen hídrico es mas desfavorable están ocupados por C4

Hábitats sombríos, fríos o muy húmedos están ocupados por especies C3

Ejemplos

FACTORES QUE AFECTAN LA FOTOSINTESIS

EXTERNOS

5. Disponibilidad de agua

4.- Concentración de O2

3.- Concentración de CO2

2.- Temperatura

1.- Intensidad de luz

Cada especie se encuentra adaptada a un determinado intervalo de intensidad de luz, por lo que existirán especies de sol y especies de sombra.

FACTORES….

Intensidad de luz

Dentro de cada intervalo, a mayor intensidad lumínica, mayor rendimiento, hasta sobrepasar ciertos límites.

(Unidades)

El punto de compensación por luz es aquella intensidad luminosa en la cual la fotosíntesis neta es cero. Es decir la tasa fotosintética es igual a la tasa de respiración

A partir del punto de compensación, los incrementos en la intensidad luminosa provocan incrementos en la fotosíntesis, hasta un tope conocido como “punto de saturación por luz”, en el cual incrementos en la intensidad luminosa no provocan ya incrementos en fotosíntesis.

FACTORES…. Intensidad de luz

PSL

Unidades de medida de la

Radiación Fotosintéticamente Activa

FACTORES…. Intensidad de luz

Radiación Fotosintéticamente Activa (RFA)

Es la cantidad de radiacion solar del rango de longitudes de onda que son capaces de producir actividad fotosintetica en las plantas y otros organismos fotosintéticos.

Este rango es el comprendido entre los 400 y los 700 namómetros (nm) y se corresponde con el espectro visible.

• microEinsteins/m2/s
• micromoles de fotones/m2/s.

FACTORES…. Intensidad de luz

Las plantas C4(adaptadas a climas secos y cálidos) manifiestan un mayor rendimiento que las plantas C3, y nunca alcanzan la saturación lumínica.

Efecto de la intensidad lumínica sobre las plantas C3 y C4

EL REGIMEN DE IRRADIANCIA DURANTE EL CRECIMIENTO DETERMINA LAS CARACTERISTICAS FOTOSINTETICAS DE LA HOJA:

FACTORES…. Intensidad de luz

FACTORES…..

C3: 15-25

TEMPERATURA OPTIMA

C4: 30-47

Temperatura

Concentración de CO2

FACTORES….

FACTORES….

Concentración de CO2

FACTORES….

Concentración de CO2

FACTORES….

Concentración de CO2 vs. intensidad de luz

FACTORES…..

CONCENTRACIONES DE CO2 AMBIENTALES

CONCENTRACIONES SATURADAS DE CO2

Temperatura y Concentración de CO2

FACTORES…..

Concentración de CO2 y O2

CONCENTRACION DE OXIGENO

Disponibilidad de agua

1. Retarda expansión celular
2. Cierre de estomas
3. Resistencia interna a la difusión de CO2
4. Actividad enzimática, integridad del protoplasma.

FACTORES….

Retarda expansión celular

FACTORES….

FACTORES INTERNOS

1. Mecanismo de asimilación del CO₂
2. Área foliar
3. Edad de la planta y de la hoja
4. Estado nutricional
5. Transporte de hidratos de carbono

Mecanismo de asimilación del CO₂ �

Tasa máxima de fotosíntesis neta

(mg de CO₂ / dm² hoja/ hora)

C-3: 15 – 35

C-4: 40 – 80

CAM: 1 - 18

FACTORES INTERNOS

FACTORES INTERNOS

EDAD DE LA HOJA

Estado nutricional

• La fotosíntesis produce 90 – 95% de la masa seca
• -N disminuye la tasa de asimilación de CO2 al disminuir la concentración de clorofila
• Mg control de la actividad de enzimas carboxilasas
• Mg, K, Mn, Cu, Fe, S son cofactores en el proceso de fotosíntesis

FACTORES INTERNOS

Efecto de la disponibilidad de potasio sobre la fotosíntesis neta en dos especies

FACTORES INTERNOS

Transporte de hidratos de carbono

• Eliminación de órganos de consumo disminuyen la tasa e fotosíntesis en hojas cercanas
• Retirar mazorcas de maíz produce:
• disminuye 25% la fotosíntesis, a los 7 días
• disminuye 75% la fotosíntesis, a los 11 días.

FACTORES INTERNOS