|
cienciesnaturals.com
Biologia
Materials complementaris del tema 4
(cont.)
Conceptes:
5.- Lectura
i qüestions: Fotosíntesi
Sabem que tots els éssers vius obtenen l'energia a partir
de l'oxidació de biomolècules. No obstant, si considerem
tots els tipus de cèl·lules existents en la biosfera,
podem definir dos grans models de metabolisme
atenent a la font d'energia: el metabolisme autòtrof i
el metabolisme heteròtrof.
El catabolisme aeròbic és
un procés pràcticament universal en la biosfera,
a excepció d'alguns microorganismes anaeròbics
que no poden viure en presència d'oxigen molecular en
el medi, mantenint d'aquesta manera uns models metabòlics
ancestrals propis dels temps geològics arqueans quan l'atmosfera
primitiva terrestre no tenia oxigen molecular. Així, els
primers microorganismes terrestres van viure en un món
anòxic amb un metabolisme similar al dels bacteris fermentadors
actuals. Suposem que les primitives poblacions de fermentadors,
a mesura que consumien els compostos reduïts presents en
el medi, van haver de trobar-se amb un greu problema: l'escassetat
en el medi de materials que els hi subministressin energia. L'evolució,
per tant, va haver de seleccionar aquells microorganismes que
eren capaços de produir, a partir de materials simples
del medi, els seus propis nutrients rics en energia.
Així, mentre que una cèl·lula heteròtrofa
catabolitza molècules de glucosa procedents del seu entorn
extracel·lular, una cèl·lula autòtrofa
ha de sintetitzar prèviament la glucosa abans de poder-la
catabolitzar. Aquest procés de síntesi de biomolècules
parteix del diòxid de carboni i de l'aigua com a substrats
inicials i requereix, com a font d'energia, la llum del Sol.
D'aquí ve el nom de fotosíntesi que reben els processos
de síntesi exclusius de les cèl·lules autòtrofes.
Totes les cèl·lules fotosintetitzadores, a excepció
dels bacteris, tenen cloroplasts
(vegeu la figura següent).
En aquests orgànuls estan presents les molècules
de les clorofil·les.
Cada molècula d'aquests pigments de color verd conté
un anell porfirínic amb un àtom de magnesi.
En general, quan una molècula rep
llum, els seus electrons són impulsats a un nivell energètic
superior. Normalment, aquesta energia addicional és dissipada
en forma de llum o calor i els electrons retornen al seu estat
inicial. No obstant, quan es tracta dels electrons que mantenen
unit l'àtom de magnesi en el centre d'un anell porfirínic,
aquests electrons són excitats per la llum i salten de
les molècules de clorofil·la.
Els electrons excitats són recollits per proteïnes
transportadores, algunes de les quals catalitzen reaccions acoblades
de síntesi d'ATP
a partir d'ADP i àcid fosfòric. Aquest fenomen
de transport electrònic és similar al que succeeix
en les crestes mitocondrials durant la respiració cel·lular.
Al final del transport electrònic pot produir-se la reducció
del nucleòtid NADP
(fosfat del dinucleòtid de nicotinamida i d'adenina):
NADP + H+ -------------------> NADPH
Hem d'assenyalar que els hidrogenions procedeixen
de les molècules d'aigua o dels grups hidroxil que s'han
trencat a conseqüència de la pèrdua d'un electró:
H2O
-------------------> [HO] + H+ + e-
[HO] -------------------> [O] + H+ + e-
Aquest electró que prové
de l'aigua, va a parar a la molècula de clorofil·la
inestable, la qual recupera, d'aquesta manera, la seva estabilitat
electrònica. No obstant, no totes les molècules
de clorofil·la recuperen els electrons perduts a partir
de l'aigua, hi ha algunes que els reben de les mateixes cadenes
transportadores d'electrons, una vegada aquests han perdut l'energia
inicial que provocà el salt electrònic.
En general, el procés de la fotosíntesi
consta de dues fases diferents, cadascuna de les quals té
les seves reaccions químiques característiques.
Així, tot el procés d'excitació electrònica
de la clorofil·la que acabem de d'escriure, constitueix
la fase fotoquímica o, segons la terminologia clàssica,
fase lumínica. Els productes metabòlics de la fase
fotoquímica són el NADPH i l'ATP. Durant aquesta
etapa es produeix a més de la hidròlisi de l'aigua,
el desprendiment d'oxigen molecular cap a l'atmosfera. Hem de
recordar que l'oxigen no era un component habitual de l'atmosfera
primitiva de la Tierra ni de les erupcions volcàniques.
Només una intensa activitat fotosintètica portada
a cap, primer per bacteris fotosintetitzadors, després
per les algues i posteriorment pels vegetals, ha provocat la
presència continuada de l'oxigen molecular en l'atmosfera
terrestre.
La segona etapa de la fotosíntesi és la fase biosintética,
o fase obscura o fase fosca, de la qual la reacció principal
és la reducció del diòxid de carboni atmosfèric
i la seva incorporació a les cadenes carbonades de les
biomolècules.
Les reaccions metabòliques d'aquesta segona fase reben
el nom de cicle de Calvin, en honor al descubridor del
procés, Melvin
Calvin que en 1956 va descubrir en cultius de una alga unicel·lular
(Chorella) els diferents passos que suposen la incorporació
i fixació del diòxid de carboni. Les reaccions
de la fase lumínica succeeixen en les membranes internes
dels cloroplasts, les membranes tilacoïdals, on es troben
ubicades les molècules dels pigments (les clorofil·les
i els carotens), les molècules dels transportadors d'electrons
i les ATP sintetases, formant uns conjunts funcionals, els fotosistemes,
amb un nombre de molècules que oscil·la entre les
700 i les 900 unitats per fotosistema. Al contrari, els enzims
que catalitzen la fase fosca o biosintètica es troben
dissols en l'estroma del cloroplast.
La principal reacció del cicle de Calvin està catalitzada
per l'enzim "rubisco", abreviació de ribulosa
1,5-difosfat carboxilasa oxidasa, una proteïna d'elevada
massa molecular que, en les plantes superiors, constitueix més
de la meitat del contingut proteínic de les fulles:
Ribulosa 1,5-difosfat (5C) + CO2 (1C) + Rubisco ----------------->
2 [àcid 3-fosfoglicèrid] (2·3C)
+ Rubisco
A continuació, les molècules d'àcid fosfoglicèrid
es redueixen a partir de l'ATP i del NADPH procedents de la fase
fotoquímica:
Àcid 3-fosfoglicèrid
+ ATP + NADPH --------------> 3-fosfogliceraldehid + ADP +
àcid fosfòric + NADP
El 3-fosfogliceraldehid és un monosacàrid
que es va acumulant en el cloroplast i a partir del qual es sintetitzaran
molècules de monosacàrids de nova síntesi,
principalment glucosa, i es regeneraran les molècules
de ribulosa 1,5-difosfat. Així, per a la síntesi
d'una molècula de glucosa són necessàries
sis molècules de diòxid de carboni i sis molècules
de ribulosa 1,5-difosfat:
6·5C + 6·1C
= 12·3C = 6·5C + 1·6C = glucosa
La fotosíntesi és un procés
anabòlic que, a més a més de monosacàrids,
sintetitza els àcids grassos per a formar els fosfolípids
de les membranes, i tots els aminoàcids necessaris per
a les síntesis de proteïnes i de nucleòtids.
Els àtoms de nitrogen dels aminoàcids procedeixen
del catió amoni (NH4+). Alguns microorganismes com els bacteris Rhizobium
i Azotobacter són capaços de fixar el nitrogen
molecular i reduir-lo a amoníac. Els vegetals a més
de l'amoni (NH4+) també poden fer servir nitrats (NO3-) o nitrits
(NO2-)
com a font del nitrogen per als aminoàcids i les bases
nitrogenades. Els ions nitrat i nitrit són reduïts
a amoni a partir del nucleòtid reduït NADPH procendent
de la fase lumínica.
Entre els factors que modulen l'activitat
fotosintètica hi ha la intensitat lluminosa, la concentració
de diòxid de carboni, la temperatura, la humitat ambiental
i la concentració d'oxigen. Així, cada espècie
vegetal té uns valors límit per a la concentració
de CO2,
de temperatura i d'humitat en els quals el rendiment de la fotosíntesi
és màxim. Quan augmenta la concentració
d'oxigen atmosfèric es redueix la fotosíntesi perquè
l'enzim rubisco actua com a una oxidasa i en lloc de fixar molècules
de CO2
trenca les molècules de ribulosa-difosfat.
Qüestions
- 5.1.-
Raona per quin motiu la primera etapa de la fotosíntesi
rep els noms de fase lumínica i fase fotoquímica.
5.2.- Raona també l'origen dels noms que rep la
segona etapa de la fotosíntesi: fase obscura, fase biosintética
i cicle de Calvin.
5.3.- Des d'un punt de vista químic, la fotosíntesi
és una oxidació-reducció que consisteix
en la utilització del poder reductor, originat en la captació
de l'energia solar, per a la síntesi de biomolècules.
Quina substància actua de donador d'electrons en tot aquest
procés? I, quina substància actua d'acceptor d'electrons?
5.4.- Les cèl·lules fotosintetitzadores
de les fulles de les plantes verdes formen uns teixits, els parènquimes
clorofíl·lics, situats per sota de les epidèrmis.
Aquests teixits desprenen oxigen durant el dia i consumeixen
diòxid de carboni. Quins processos realitzen durant la
nit?
- tornar a l'activitat complementària
núm. 1
- tornar a l'activitat complementària
núm. 2
- tornar a l'activitat complementària
núm. 3
- tornar a l'activitat complementària
núm. 4
- inici de pàgina
- tornar a l'índex
de biologia
- tornar a la pàgina
principal
-
- Podeu contactar amb nosaltres
a: editor@cienciesnaturals.com
© 2001-05 Xavier Varela
|
