Energía celular y fotosíntesis. Guía primero medio Biología

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Una guía sobre fotosíntesis para trabajar con alumnos de 1º medio o para profundizar en el tema con alumnos de biología electivo. Se incorporan algunos link seleccionados de la web.

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Energía celular y fotosíntesis. Guía primero medio Biología

  1. 1. 1ºM Energía Celular y Fotosíntesis 1Unidad 3 ● ¿Cómo los Organismos Obtienen Energía? Antes de estudiar Piensa en los objetos de tu casa que usan energía. En las siguientes líneas, describe las formas en que estos objetos la obtienen. A continuación, estudia el tema “¿cómo los organismos obtienen energía?. Todos los organismos vivos utilizan energía para llevar a cabo todos sus procesos biológicos. ¿Qué aprenderás? ■ Las dos leyes de la termodinámica. ■ La diferencia entre autótrofos y heterótrofos. ■ ¿Cómo opera el ATP en las células. Estudia para aprender Transformación de Energía Las células necesitan energía. Necesitan energía para mover las moléculas a través de membranas, para sintetizar o descomponer las moléculas y para otras funciones. La energía es la capacidad para hacer trabajo. La termodinámica es el estudio de cómo fluye y cambia la energía en el universo. ¿Cuáles son las leyes de la termodinámica? Dos leyes de la termodinámica explican el flujo de la energía. La primera ley de la termodinámica establece que la energía puede cambiar de forma, pero no puede ser creada ni destruida. Por ejemplo, tu cuerpo cambia la energía de los alimentos a energía química. Además, cuando estás practicando un deporte, tu cuerpo cambia la energía química a energía mecánica. La segunda ley de la termodinámica establece que durante la conversión de energía de una forma a otra, algo de energía es “perdida” en el proceso de conversión. Aunque la energía total es, de hecho, conservada, una porción se hace inusable mientras incrementa el desorden y la aleatoriedad dentro de un sistema. Este desorden se conoce como entropía. La entropía es siempre creciente. Esto significa que cuando tu cuerpo cambia formas de energía, parte de la energía se degrada en forma de calor. La energía está todavía presente, pero ya no puede ser utilizada. Casi toda la energía para la vida en la Tierra proviene del sol. Algunos organismos producen su propio alimento. Algunos autótrofos utilizan sustancias inorgánicas como fuente de energía. Otros autótrofos cambian la energía lumínica del sol en energía química. Las plantas y algunas bacterias son autótrofas. Crea un cuestionario: Después de leer esta sección, crea un cuestionario basado en lo que has aprendido. A continuación, asegúrate de responder las preguntas que creaste. 1. Formula la primera Ley de la termodinámica Unidad 3. Fotosíntesis y relaciones alimentarias 1
  2. 2. Imagina esto 2. Haz un círculo en el nombre del organismo que sintetiza su propio alimento ¿Cómo los animales obtienen energía del sol? Los heterótrofos obtienen su energía comiendo alimentos. Los heterótrofos obtienen energía indirectamente del sol. Ellos hacen esto comiéndose a los autótrofos. Los animales son heterótrofos. La siguiente figura muestra la relación entre autótrofos y heterótrofos. Sol autótrofo Heterótrofo Heterótrofo 3. Compara la energía usada en las vías anabólicas y catabólicas Metabolismo Todas las reacciones químicas que ocurren dentro de una célula son conocidas como metabolismo de la célula. Una serie de reacciones en las que el producto de una reacción se convierte en el reactante para la siguiente reacción, se llama vía metabólica. ¿Cuáles son las dos vías metabólicas? Hay dos tipos generales de vías metabólicas: vías catabólicas y vías anabólicas. En las vías catabólicas, la energía se libera al descomponer moléculas más grandes en moléculas más pequeñas. En las vías anabólicas, la energía liberada por las vías catabólicas se utiliza para sintetizar moléculas más grandes a partir de moléculas más pequeñas. La energía fluye entre las vías metabólicas de los organismos en un ecosistema. La fotosíntesis es una vía anabólica. La respiración celular es una vía catabólica. Estas vías operan juntas para satisfacer las necesidades de energía de las células. ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ 2 ¿Cómo cambia la energía durante la fotosíntesis? La fotosíntesis es una serie de reacciones químicas que cambian la energía lumínica del sol en energía química, un tipo de energía que puede ser utilizada por la célula. Durante la fotosíntesis, el dióxido de carbono y el agua se convierten en moléculas orgánicas y oxígeno, para lo cual es necesaria la energía lumínica. La energía almacenada en la moléculas orgánicas, sintetizadas durante la fotosíntesis, puede ser transferida a otros organismos. Cuando un animal se come a una planta, la energía almacenada de la planta es transferida al animal. Prof. GAToledo, SFC, 2014. Depto. de Ciencias
  3. 3. ¿Qué ocurre durante la respiración celular? La respiración Celular es una serie de reacciones que descompone a moléculas orgánicas en dióxido carbono, agua y energía. La energía es usada por la célula. El proceso de respiración Celular y fotosíntesis forman un ciclo, el cual es mostrado en la figura de abajo. Los productos de la fotosíntesis son los reactantes de la respiración Celular y los productos de la respiración celular son los reactantes de la fotosíntesis. Luz solar Fotosíntesis (autótrofos) CO2 + H2O O2 +glucosa Respiración celular (heterótrofos) ATP: La Unidad de la Energía Celular Las Células almacenan energía en moléculas biológicas. La molécula biológica más importante es el Adenosín trifosfato o ATP. ¿Cómo el ATP almacena energía? El ATP es molécula almacenadora de energía más abundante. Se encuentra en todo tipo de organismos. La estructura del ATP se muestra abajo. Está formada por una base adenina, una azúcar ribosa y tres grupos fosfato. El ATP libera energía cuando se rompe el enlace entre el segundo y tercer grupo fosfato, formando una molécula llamada Adenosín difosfato (ADP). El ADP puede ser transformado a ATP enlazándole un grupo fosfato. Adenina Grupo trifosfato H2O Ribosa ATP Adenina Grupo bifosfato Energía Ribosa Fosfato ADP Haz esto 4. Identifica Haz un círculo en uno de los pasos de la vía donde es captada la energía. Haz esto 5. Identifica Haz un círculo al enlace de más alta energía que es roto cuando el ATP se convierte a ADP Depto. de Ciencias 3
  4. 4. 1ºM Energía Celular 2Unidad 3● Fotosíntesis “La energía lumínica es atrapada y convertida en energía química durante la fotosíntesis”. ¿Qué aprenderás ■ Las dos fases de la fotosíntesis. ■ Cómo funciona un cloroplasto durante las reacciones lumínicas ■ Cómo funciona la cadena de transporte de electrones Antes de estudiar Las plantas cambian la energía de la luz solar en energía que es utilizada por los demás seres vivos. Describe en las líneas en las líneas de abajo lo que le pasaría a la vida en la Tierra si las plantas desaparecieran repentinamente. A continuación, lea acerca de cómo las plantas utilizan la energía del Sol. Identifica Detalles A medida que estudies, resalta o subraya los eventos de cada fase de la fotosíntesis. 1. Identifica una vía celular que pueda usar glucosa. Estudia para aprender Visión general sobre la fotosíntesis La fotosíntesis es el proceso en el que la energía lumínica del sol se transforma en energía química. Casi toda la vida en la Tierra depende de la fotosíntesis. La ecuación química para la fotosíntesis se muestra a continuación. luz 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 La fotosíntesis se produce en dos fases. En la fase uno, las reacciones dependientes de la luz--- la energía lumínica es absorbida y transformada en energía química en la forma de ATP y NADPH. En la segunda fase--- las reacciones independientes de la luz, se usa el ATP y el NADPH, que se formaron en la primera fase, para sintetizar glucosa. La glucosa puede luego ser unida a otros azúcares simples para formar moléculas más grandes, tales como azúcares y carbohidratos complejos. El azúcar también puede ser transformado en otras moléculas que necesita la célula, tales como proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. 4 Prof. GAToledo, SFC, 2014. Depto. de Ciencias
  5. 5. Fase Uno: Reacciones lumínicas Las plantas tienen orgánulos especiales llamados cloroplastos para absorber la energía lumínica. La fotosíntesis comienza cuando se absorbe la energía lumínica proveniente del sol. La energía absorbida es transferida a dos moléculas que almacenan energía--- el ATP y el NADPH---que se utilizarán en las reacciones independientes de la luz. ¿Qué pasa en los cloroplastos? Los cloroplastos son orgánulos grandes que capturan la energía lumínica del sol. Se encuentran en plantas y en otros organismos fotosintéticos. La siguiente figura muestra a un cloroplasto. Un cloroplasto es un orgánulo en forma de disco que contiene dos compartimentos: el tilacoide y el estroma. Los tilacoides son estructuras membranosas en forma de sacos planos dispuestos en pilas denominados grana. El espacio lleno de líquido fuera de los grana corresponde al estroma. La fase clara fotosintética sucede en los tilacoides. La fase independiente de la luz ocurre en el estroma. Membrana Externa Membrana interna Grana Estroma Tilacoide Localización de (localización de la fase de lumínica fase independiente de la luz 2. Marca ¿Cuáles de los siguientes organismos poseen cloroplastos? Márcalos con un círculo. a. Hongo b. Algas c. Liquen d. Musgo e. Plantas Haz esto 3. Ilustra En el rectángulo disponible de la izquierda dibuja un cloroplasto, diferenciando claramente a los tilacoides, a los grana y al estroma. Rotula el dibujo y píntalo. ¿Cuál es el rol de los pigmentos en la fotosíntesis? Los tilacoides contienen moléculas coloreadas, llamadas pigmentos, que absorben la luz. Los diferentes pigmentos absorben distintas longitudes de onda de la luz. Las clorofilas son los principales pigmentos que absorben la luz en las plantas. Ellas absorben la energía de la luz azul-violeta y reflejan la luz verde, dándole a las plantas su color verde. Los pigmentos accesorios ayudan a las plantas a absorber luz adicional. Por ejemplo, los carotenoides absorben la luz azul y verde y reflejan la amarilla, anaranjada y roja. Los carotenoides le dan a las zanahorias su típico color naranja. Los pigmentos accesorios explican el por qué las hojas cambian de colores en el otoño. En las hojas verdes, hay tanta clorofila que enmascara a los otros pigmentos. En otoño, como los árboles se preparan para perder sus hojas, las moléculas de clorofila se descomponen, dejando al descubierto los colores de los otros pigmentos. Los colores rojos, amarillos y anaranjados pueden ser vistos en esta estación. 4. Explica ¿Cómo cambian de color las hojas de algunos árboles? https://www.youtube.com/watch?v=Hy9VaRAWGus (escuche las 4 estaciones de Vivaldi: aprecie el paisaje otoñal ---19 min. y 50 seg.--- y la belleza y virtuosismo de la intérprete, Julia Fisher). 5
  6. 6. 5. Describe De que están hechos los fotosistemas I y II? ¿Cómo ocurre el transporte de electrones? http://es.slideshare.net/gustavotoledo/3-d-fotosntesis1ok El fotosistema I y el fotosistema II están hechos de pigmentos que absorben la luz y de proteínas que son importantes en las reacciones lumínicas. Se encuentran en la membrana tilacoidal. Sigue con la vista el proceso ilustrado en la figura siguiente mientras lees lo que ocurre en la fase lumínica. La fotosíntesis comienza cuando la energía lumínica provoca que los electrones en el fotosistema II pasen a un estado de alta energía. La energía lumínica también provoca la fotólisis del agua (rompimiento de moléculas de agua) liberando, por cada molécula, dos electrones al sistema de transporte de electrones, un ion de hidrógeno en el espacio tilacoidal y un átomo de oxígeno, como producto de desecho. Los electrones excitados se mueven desde el fotosistema II a lo largo de una serie de transportadores de electrones hacia el fotosistema I. El fotosistema I absorbe más luz y los electrones excitados se mueven de nuevo a lo largo de otros transportadores de electrones. Por último, los electrones se transfieren al NADP, formando la molécula NADPH que también almacena energía. Haz esto 6. Identifica En la figura, resalta la vía que siguen los electrones y con otro color la vía de los protones. ¿Cuál molécula es el destino final de los electrones? Fotosistema II Transportadores H+ de electrones e- H2O 2H+ ½ O2 H+ Electrón activado ¿Cómo se forma el ATP durante la fotosíntesis? ATP se produce cuando la energía lumínica causa que la molécula de agua se divida en un átomo de oxígeno y dos iones de hidrógeno (H+), o protones. Los protones se acumulan en el interior del tilacoide. Los protones difunden a través de los canales iónicos hacia el estroma donde la concentración es más baja. Estos canales son enzimas llamadas ATP sintetasa. A medida que se mueven los protones hacia el estroma, se forma el ATP a partir de ADP+ Pi, gracias a la energía del flujo de protones . ESTROMA Fotosistema I NADPH NADP + H+ ATP H+ ADP+ Pi Ferrodoxina-NADP- reductasa ATP sintetasa H+ H+ Membrana Tilacoidal ESPACIO TILACOIDAL 6
  7. 7. Fase dos: El ciclo de Calvin El NADPH y el ATP son moléculas de almacenamiento temporal. Durante la fase dos, conocida como ciclo de Calvin, la energía almacenada en estas moléculas es transferida a moléculas orgánicas, tales como la glucosa. ¿Qué ocurre en el ciclo de Calvin? El ciclo de Calvin sintetiza azúcares a partir de dióxido de carbono y agua, usando la energía almacenada en el ATP y el NADPH. Las reacciones del ciclo de Calvin no necesitan energía lumínica proveniente del sol y es por eso que también se conocen como reacciones independientes de la luz. En el ciclo de Calvin, las moléculas de dióxido de carbono se combinan con seis compuestos de 5-carbonos para formar doce moléculas de 3 carbonos. La energía química almacenada en el ATP el NADPH se transfiere a las moléculas de 3-C. Dos moléculas de 3-C salen del ciclo para ser usadas en la síntesis de glucosa y de otros compuestos orgánicos. La enzima rubisco cambia diez moléculas de 3-C en moléculas de 5-C para continuar el ciclo. Debido a que rubisco fija moléculas de dióxido de carbono atmosférico para convertirlas en carbono orgánico, para que puedan ser utilizados por la célula, se considera una de las enzimas más importantes presentes en un ser vivo. El azúcar formado en el ciclo de Calvin se utiliza como energía y como bloque de construcción para los hidratos de carbono complejos, tales como almidón. http://www.slideshare.net/gustavotoledo/las-reacciones-independientes-de-la-luz-14088417 Vías alternativas La fotosíntesis podría ser difícil para las plantas que crecen en ambientes cálidos y secos. Muchas plantas en climas extremos han desarrollado otras vías de fotosíntesis. Las plantas tropicales como la caña de azúcar y el maíz usan la vía C4. En lugar de las moléculas de 3 carbonos del ciclo de Calvin, las plantas C4 fijan el dióxido de carbono en moléculas de 4-carbonos. Se pierde menos agua en la vía C4. Estas plantas mantienen sus estomas cerrados durante los días de calor para minimizar la pérdida de agua. 7. Nombra los principales productos que almacenan energía de cada fase de la fotosíntesis 8. Explica cuál es la función de la enzima Ribulosa bifosfato carboxilasa---oxigenasa (Rubisco) _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ _______________________________________ ¿Qué son las plantas CAM? Otra vía alternativa es la llamada vía CAM. Plantas CAM viven en desiertos, salinas y otros ambientes en los que el acceso al agua es limitado. Los cactus y las orquídeas son plantas CAM. El dióxido de carbono entra en las hojas de las plantas CAM sólo por la noche, cuando el ambiente es más fresco y más húmedo. Las plantas también fijan el dióxido de carbono en compuestos orgánicos durante la noche. Durante el día, el dióxido de carbono se libera a partir de esos compuestos orgánicos. El dióxido de carbono entra en el ciclo de Calvin en ese punto. La vía CAM minimiza la pérdida de agua, al tiempo que permite la absorción de carbono de manera adecuada. 9. Nombra dos lugares donde vivan las plantas CAM 7
  8. 8. Nombre Fecha Curso FOTOSÍNTESIS ✱ Después de estudiar la guía Mini Glosario Ciclo de Calvin: serie de reacciones fotosintéticas de la fase independiente de luz durante las cuales se forma azúcar a partir de dióxido de carbono, usando ATP y NADPH formados durante las reacciones dependientes de la luz. Reacciones independientes de la luz (fase oscura): fase de la fotosíntesis, donde se utiliza la energía de las reacciones dependientes de la luz para producir azúcar. Cadena de transporte de electrones: serie de proteínas incrustadas en la membrana tilacoidal, a lo largo de la cual son transportados los electrones. A medida que los electrones pasan de molécula en molécula, la energía es liberada para ser usada en el bombeo de protones desde el estroma hacia el espacio tilacoidal. Reacciones dependientes de la luz (fase clara): fase de la fotosíntesis, donde la energía luminosa se convierte en energía química en la forma de ATP. La energía lumínica provoca la fotólisis del agua y la liberación de oxígeno. Pigmento: moléculas que absorben longitudes de onda específicas de la luz del sol. Fotosíntesis: proceso por el cual las plantas y otros organismos verdes absorben energía de la luz solar con la clorofila y utilizan esta energía para convertir el dióxido de carbono y el agua en azúcares simples. Clorofila: pigmentos que absorben luz (en las plantas y en otros organismos verdes, como algas) que se requiere para la fotosíntesis; absorbe las longitudes de onda de luz azul-violeta, reflejando las del verde. Plantas C4: plantas que tienen una vía química especializada que les permite capturar incluso niveles muy bajos de dióxido de carbono y lo pasan al ciclo de Calvin. Un excelente ejemplo de plantas C4 es la caña de azúcar Pantas CAM (Metabolismo Ácido-Crasuláceo): Son plantas, como las carnosas del desierto, que absorben CO2 durante la noche (se evita la pérdida de agua). Almacenan el CO2 en forma de malato como en C4. El piruvato necesario se obtiene por glucolisis tras degradación del almidón. Durante el día el malato se descarboxila y el CO2 resultante entra al Ciclo de Calvin. En plantas carnosas del desierto. 10. Lee los términos clave y sus definiciones en el Mini Glosario, arriba. Marca uno de los términos clave y, en el espacio proporcionado, defínela con tus propias palabras. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 11. Usa el diagrama pirámide con el objeto de ayudarte a revisar lo que has estudiado. Ordena, de manera cronológica, los pasos que se describen de la fase independiente de la luz o fase clara. Comienza desde abajo. 1. El Fotosistema I reduce el NAP+ a NADPH en el estroma gracias a la acción de una ferredoxina (fd) y a la ferredoxina-NADP reductasa. 2. El Fotosistema II oxida el agua y produce O2, liberando protones al lumen tilacoidal. 3. La ATP sintasa produce ATP en el estroma a medida que los protones difunden a través de ella desde el lumen hacia el estroma. 4. La cadena de transporte de electrones recibe electrones del Fotosistema II y los cede al PSI. También transporta protones al lumen desde el estroma. 7 Unidad 2 DEPTO. DE CIENCIAS SFC, 2014
  9. 9. Las reacciones dependientes de la luz: La generación de ATP y NADPH Para las preguntas 1---5, escribe V si la oración es correcta. Si es falsa, cambiar la palabra o palabras subrayadas para transformar la oración en verdadera. ________1. Los Fotosistemas son grupos de moléculas de clorofila y de proteínas. ________2. Las reacciones dependientes de la luz comienzan cuando el fotosistema I absorbe luz. ________3. Los electrones de las moléculas de agua sustituyen a los perdidos por el fotosistema II. ________4. El ATP es el producto del fotosistema I. ________5. El NADPH es una molécula transportadora de proteína. 6. ¿Cómo produce ATP la enzima ATP sintetasa? ________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 7. Cuando la luz solar excita los electrones de la clorofila, ¿qué cambio sufren los electrones? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 8. ¿Dónde ocurren las reacciones dependientes de la luz? _________________________________ ____________________________________________________________________(sea específico) Las reacciones independientes de la luz: producción de azúcar http://www.bionova.org.es/animbio/anim/ciclocalvin.swf 9. ¿Qué usa el ciclo de Calvin para producir azúcares de alta energía? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 10. ¿Por qué las reacciones del ciclo de Calvin se llaman reacciones independientes de la luz? Si no es necesaria la energía lumínica ¿qué moléculas químicas energizan el ciclo? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ 11. ¿Cuáles dos moléculas son producidas en el ciclo de Calvin que son necesarias para las reacciones químicas de la fase luminosa fotosintética? ________________________________________________________________________________ Completa las siguientes descripciones sobre las variaciones de la fotosíntesis. (Usa el siguiente banco de palabras: Ciclo de Calvin agua hidratos de carbono CAM noche dióxido de carbono C4 día) 12. La Fotosíntesis _____ se produce en plantas que tienen una vía química especializada que les permite capturar incluso niveles muy bajos de____________________________ y lo pasan al _____________________. 13. Las plantas _____ sólo permiten que el aire entre a sus hojas por la_________lo que minimiza la pérdida de ________. El dióxido de carbono es atrapado en las hojas y es liberado durante el _____, lo que permite la producción de _________________________

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