tasa de fotosíntesis

El indicador redox y la tasa de fotosíntesis

Para investigar el ritmo de la fotosíntesis, utilizamos una sustancia llamada indicador redox. Si ya has estudiado la respiración, recordarás que "redox" es la abreviatura de "oxidación-reducción", término que suele atribuirse a un tipo de reacción en la que se pierden y se ganan electrones. Los indicadores redox son un tipo de sustancia química que puedes añadir a una solución.

Cuando esta solución se reduce o se oxida, el indicador redox hará que esa solución cambie repentinamente de color. Los indicadores redox se utilizan en diversos experimentos de química y biología (por ejemplo, cuando investigamos el ritmo de la respiración). En este experimento, podemos utilizar un indicador redox como el DCPIP o el azul de metileno.

Cómo investigar el ritmo de la fotosíntesis utilizando indicadores redox

En general, la fotosíntesis se ve afectada por tres factores principales: laintensidad de la luz, la concentración de dióxido de carbono y la temperatura.

Equipo

• Hojas de una sola planta (las hojas de espinaca son bastante fáciles de obtener y se pueden comprar en cantidades suficientemente grandes para un experimento).

• Un medio de aislamiento (normalmente compuesto por una solución amortiguadora de fosfato, sacarosa y cloruro potásico). Asegúrate de que esté helado para no dañar los cloroplastos.

• Baños de agua a las siguientes temperaturas 20°C, 30°C, 40°C, 50°C.

• Luces LED colocadas a distintas distancias de la planta. Esto modificará la intensidad de la luz.

• Tubos de ensayo pequeños.

• Mortero.

• Tela de muselina.

• Embudo.

• Vaso de precipitados.

• Frigorífico regulado entre 0-4°C.

• Cronómetro.

• Pipeta.

• Centrifugadora y tubos de centrifugado.

Método

1. Machaca las hojas utilizando el mortero con unos 20 cm³ del medio de aislamiento.

2. Coloca cuatro capas de la muselina en el embudo y mójalas suavemente con el medio de aislamiento frío. Coloca el embudo sobre el vaso de precipitados.

3. Filtra la mezcla de hojas trituradas y medio de aislamiento a través del embudo.

4. Vierte la solución del embudo en los tubos de centrifugado, asegurándote de que cada tubo contenga la misma cantidad de solución.

5. Centrifuga los tubos durante unos 10 minutos a alta velocidad. Esto debería producir un pequeño gránulo de extracto de hoja.

6. Vierte el líquido sobrante que rodea el precipitado y resuspende el precipitado con unos 2 cm³ del medio de aislamiento. Ésta es tu solución de extracto foliar.

7. En cada tubo de ensayo, añade0,5 cm³ de la nueva solución de extracto de hoja. A continuación , añade5 cm ³de DCPIP o de indicador azul de metileno en cada tubo de ensayo.

8. Si estás comprobando el efecto de la temperatura, coloca cada tubo de ensayo en un baño de agua diferente.

9. Si estás comprobando el efecto de la intensidad de la luz, coloca cada tubo de ensayo en una cámara oscura separada con una única luz LED. Varía la distancia entre la luz LED y el tubo de ensayo. Asegúrate de colocar un tubo de ensayo en una habitación totalmente oscura como control.

10. Remueve cada tubo de ensayo y anota el tiempo que tarda la solución en decolorarse.

11. Ten en cuenta que el color de la solución puede cambiar de azul a verde en lugar de incoloro debido a la presencia de clorofila.

Mecanismo de reacción

Las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz tienen lugaren los cloroplastos de la célula vegetal, a lo largo de la membrana tilacoide.

Durante la fotosíntesis, la clorofila absorbe fotones. Éstos son un tipo de energía luminosa, que hace que los electrones contenidos en la clorofila pasen a un nivel energético superior, lo que les permite mantener esa energía y participar en otras reacciones. Acontinuación, serán recogidos por un aceptor de electrones, un agente oxidante que acepta electrones transferidos de otro compuesto, moviéndose por una cadena de transporte de electrones (Más sobre esto en la explicación de la Fotosíntesis).

Sin embargo, si hay un indicador redox, el indicador sustituirá al aceptor de electrones y tomará los electrones de alta energía en su lugar. Esto provocará el cambio de color que observarás en el experimento. Puedes utilizar la velocidad a la que se produce este cambio de color para medir la velocidad de la fotosíntesis.

La reacción independiente de la luz se conoce como Ciclo de Calvin. El Ciclo de Calvin necesita dióxido de carbono para formar glucosa (que necesita carbono para formarse). En primer lugar, una molécula de dióxido de carbono se combina con una molécula llamada RubP. Tras combinarse, se dividen por la mitad produciendo dos moléculas de 3-fosfoglicerato. El ATP y el NADPH, ambos producidos al inicio de la reacción dependiente de la luz, donan cada uno un átomo de hidrógeno al 3-fosfoglicerato, que los transforma en G3P (un tipo de azúcar). Las dos moléculas de G3P producidas pueden formar la glucosa necesaria para alimentar a la planta.

¿Qué factores afectan a la velocidad de la fotosíntesis?

La fotosíntesis se ve afectada por varios factores. Sin embargo, los siguientes factores pueden limitar la tasa de fotosíntesis cuando son escasos:

Luz

A medida que aumenta la intensidad de la luz, también lo hace el ritmo de las reacciones fotosintéticas dependientes de la luz. Por tanto, al aumentar la intensidad de la luz aumenta la tasa global de fotosíntesis.

Esto se debe a que caerán más fotones sobre la hoja, por lo que se fotoactivarán más electrones (activados a un nivel de energía más alto por las ondas luminosas), permitiendo que el agua se oxide más rápidamente. Por tanto,aumenta la producción de ATP y NADPH, un tipo de molécula que se utiliza como agente reductor en el Ciclo de Calvin ,y se producirán más ciclos de la reacción independiente de la luz.

Sin embargo, a partir de cierto punto, la tasa de fotosíntesis permanece constante aunque aumente la intensidad luminosa, porque uno o varios de los otros factores se agotan, lo que los convierte en un factor limitante.

Concentración de dióxido de carbono

El aumento de la concentración de dióxido de carbono incrementará el ritmo de la fotosíntesis hasta cierto punto. Si hay más moléculas de dióxido de carbono disponibles, se producirán más ciclos de la reacción independiente de la luz a mayor velocidad.

Esto significa que se producen más moléculas de glucosa, se gastan más NADPH y ATP, se produce más RuBP (conocido como el aceptor primario del dióxido de carbono durante el ciclo de Calvin) y aumentará la tasa global de fotosíntesis.

Sin embargo, a cierto nivel, la tasa de fotosíntesis se verá limitada por otros factores. Puede que no haya suficiente energía luminosa para producir suficiente NADPH y ATP para alimentar más ciclos de la reacción independiente de la luz, por lo que la tasa de fotosíntesis no aumentará aunque aumente la concentración de dióxido de carbono. Alternativamente, puede que no haya suficiente energía térmica disponible para catalizar las reacciones controladas por enzimas en la reacción independiente de la luz a una velocidad mayor, por lo que la velocidad de la fotosíntesis no podrá aumentar con la concentración de dióxido de carbono.

Temperatura

Dado que las enzimas controlan la fotosíntesis, la temperatura es un importante factor limitante de la tasa de fotosíntesis. La tasa de fotosíntesis aumenta con la temperatura. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con la concentración de dióxido de carbono y la intensidad luminosa, la tasa de fotosíntesis alcanza un punto óptimo antes de disminuir drásticamente.

Las enzimas que controlan la fotosíntesis funcionande forma óptima en torno a los 35ºC-40ºC. Sin embargo, si la temperatura aumenta más allá de este punto óptimo, las enzimas empiezan a desnaturalizarse. La forma del sitio activo de la enzima cambia y el sustrato ya no encaja. Esto explica la fuerte disminución de la tasa de fotosíntesis a temperaturas más altas. Si la temperatura es inferior a 35°C, la fotosíntesis se produce a un ritmo más lento porque las enzimas no se mueven tan deprisa. Por tanto, pueden producirse menos reacciones porque es más difícil encontrar el sustrato.