Estudio de la Fotosíntesis
Mapa conceptual
La fotosíntesis es un proceso vital que transforma el CO2 en azúcares, y fue descifrada gracias a la técnica de pulso y lavado. El ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) se identificó como el primer compuesto radiomarcado, siendo precursor en la biosíntesis de carbohidratos. La ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP) captura CO2, iniciando el Ciclo de Calvin-Benson, que regenera la RuBP y forma azúcares. La luz regula las enzimas fotosintéticas, incluida la Rubisco, esencial para la fijación de carbono.
Resumen
Esquema
Técnicas de Pulso y Lavado en el Estudio de la Fotosíntesis
La técnica de "pulso y lavado", desarrollada por Melvin Calvin y su equipo, fue fundamental para desentrañar el proceso de asimilación de CO2 en la fotosíntesis. Este método consistía en exponer células fotosintéticas, como las de algas, a CO2 radiactivo por un breve periodo y luego sustituirlo por CO2 no radiactivo. Este enfoque permitió seguir la incorporación de carbono radiactivo en los compuestos orgánicos a lo largo del tiempo. Para detener las reacciones y aislar los compuestos formados, las células se inactivaban rápidamente en metanol caliente. Los compuestos se separaban después mediante cromatografía en papel y se detectaban los radiomarcados por autoradiografía, proporcionando una imagen detallada de la secuencia de reacciones fotosintéticas.Descubrimiento del Primer Compuesto Radiomarcado en la Fotosíntesis
Los experimentos de pulso y lavado revelaron que el ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) era el primer compuesto marcado durante la fijación de CO2 en la fotosíntesis. Se observó que la radioactividad en el 3-PGA disminuía progresivamente, mientras que aumentaba en compuestos como la sacarosa, indicando que el 3-PGA es un precursor en la biosíntesis de carbohidratos. Experimentos adicionales demostraron que al interrumpir la iluminación tras un corto periodo de exposición al CO2 radiactivo, se acumulaba 3-PGA, confirmando su papel como el primer producto estable de la fijación de carbono.La Ribulosa 1,5-Bifosfato y su Función en la Captura de CO2
El equipo de Calvin investigó cuál era el aceptor inicial de CO2 que daba lugar al 3-PGA. La evidencia apuntó a la ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP), un azúcar de cinco carbonos. Al cesar la exposición al CO2 radiactivo, la radioactividad en la RuBP disminuía drásticamente, sugiriendo que era el sustrato inicial. Se propuso que un intermediario inestable de seis carbonos se formaba y se dividía rápidamente en dos moléculas de 3-PGA. Este intermediario, identificado como 2-carboxi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bifosfato, fue confirmado posteriormente con técnicas como la cristalografía de rayos X y la resonancia magnética nuclear.El Ciclo de Calvin-Benson y la Formación de Azúcares
Las reacciones que convierten el 3-PGA en azúcares forman parte del Ciclo de Calvin-Benson, presente en cianobacterias y plantas. Este ciclo comprende una serie de reacciones enzimáticas que transforman el 3-PGA y otros intermediarios en azúcares de diversas longitudes de cadena carbonada. Enzimas como la transketolasa y la aldolasa catalizan la formación de azúcares de cinco, cuatro y siete carbonos. Estas reacciones son cruciales para la regeneración de la RuBP, lo que permite la continuidad del ciclo fotosintético.Regulación de Enzimas Fotosintéticas por la Luz
Las investigaciones de Calvin revelaron que la luz regula la actividad de las enzimas del Ciclo de Calvin-Benson. La enzima clave, la ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco), se activa mediante un mecanismo que incluye la activasa de Rubisco y la carbamilación en presencia de magnesio, ambos procesos dependientes de la luz. Otras enzimas del ciclo se activan mediante el sistema ferridoxina-tiorredoxina, que transfiere electrones desde el Fotosistema I a las enzimas, alterando su estado redox y promoviendo su actividad catalítica.Estructura y Función de la Enzima Rubisco
La Rubisco es una enzima de gran tamaño y complejidad, formada por subunidades grandes y pequeñas. Las subunidades grandes albergan el sitio activo de la enzima, mientras que el papel exacto de las subunidades pequeñas es menos claro. Los genes que codifican las subunidades grandes se encuentran en el genoma del cloroplasto, y los de las subunidades pequeñas, en el genoma nuclear. El ensamblaje de la Rubisco requiere chaperonas y un sistema de señalización que guía las subunidades pequeñas al cloroplasto, donde se ensambla la enzima completa.
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Técnicas de Pulso y Lavado
Desarrollo de la técnica de "pulso y lavado"
La técnica de "pulso y lavado" fue desarrollada por Melvin Calvin y su equipo para estudiar la fotosíntesis
Proceso de asimilación de CO2 en la fotosíntesis
Exposición de células fotosintéticas a CO2 radiactivo
La técnica de "pulso y lavado" consistía en exponer células fotosintéticas a CO2 radiactivo por un breve periodo
Sustitución de CO2 radiactivo por CO2 no radiactivo
Después de la exposición, se sustituía el CO2 radiactivo por CO2 no radiactivo para seguir la incorporación de carbono en los compuestos orgánicos
Detención de reacciones y aislamiento de compuestos formados
Para detener las reacciones y aislar los compuestos formados, las células se inactivaban rápidamente en metanol caliente
Descubrimiento del Primer Compuesto Radiomarcado
Identificación del ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) como primer compuesto marcado
Los experimentos de pulso y lavado revelaron que el ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) era el primer compuesto marcado durante la fijación de CO2 en la fotosíntesis
Papel del 3-PGA como precursor en la biosíntesis de carbohidratos
Se observó que la radioactividad en el 3-PGA disminuía progresivamente, mientras que aumentaba en compuestos como la sacarosa, indicando que el 3-PGA es un precursor en la biosíntesis de carbohidratos
Confirmación del 3-PGA como primer producto estable de la fijación de carbono
Experimentos adicionales demostraron que al interrumpir la iluminación tras un corto periodo de exposición al CO2 radiactivo, se acumulaba 3-PGA, confirmando su papel como el primer producto estable de la fijación de carbono
Ribulosa 1,5-Bifosfato y su Función en la Captura de CO2
Investigación del aceptor inicial de CO2
El equipo de Calvin investigó cuál era el aceptor inicial de CO2 que daba lugar al 3-PGA
Identificación de la ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP) como aceptor inicial
La evidencia apuntó a la ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP) como el aceptor inicial de CO2
Formación de un intermediario inestable de seis carbonos
Se propuso que un intermediario inestable de seis carbonos se formaba y se dividía rápidamente en dos moléculas de 3-PGA
Ciclo de Calvin-Benson y la Formación de Azúcares
Descripción del Ciclo de Calvin-Benson
El Ciclo de Calvin-Benson comprende una serie de reacciones enzimáticas que transforman el 3-PGA y otros intermediarios en azúcares de diversas longitudes de cadena carbonada
Función de enzimas como la transketolasa y la aldolasa en la formación de azúcares
Enzimas como la transketolasa y la aldolasa catalizan la formación de azúcares de cinco, cuatro y siete carbonos, cruciales para la regeneración de la RuBP y la continuidad del ciclo fotosintético
Presencia del Ciclo de Calvin-Benson en cianobacterias y plantas
El Ciclo de Calvin-Benson está presente en cianobacterias y plantas, siendo esencial para la formación de azúcares en la fotosíntesis
Regulación de Enzimas Fotosintéticas por la Luz
Efecto de la luz en la actividad de las enzimas del Ciclo de Calvin-Benson
Las investigaciones de Calvin revelaron que la luz regula la actividad de las enzimas del Ciclo de Calvin-Benson
Activación de la Rubisco mediante un mecanismo dependiente de la luz
La enzima clave, la Rubisco, se activa mediante un mecanismo que incluye la activasa de Rubisco y la carbamilación en presencia de magnesio, ambos procesos dependientes de la luz
Activación de otras enzimas del ciclo mediante el sistema ferridoxina-tiorredoxina
Otras enzimas del ciclo se activan mediante el sistema ferridoxina-tiorredoxina, que transfiere electrones desde el Fotosistema I a las enzimas, alterando su estado redox y promoviendo su actividad catalítica
Estructura y Función de la Enzima Rubisco
Composición de la enzima Rubisco
La Rubisco está formada por subunidades grandes y pequeñas, siendo las grandes las que albergan el sitio activo de la enzima
Localización de los genes que codifican las subunidades de la Rubisco
Los genes que codifican las subunidades grandes se encuentran en el genoma del cloroplasto, mientras que los de las subunidades pequeñas se encuentran en el genoma nuclear
Proceso de ensamblaje de la Rubisco
El ensamblaje de la Rubisco requiere chaperonas y un sistema de señalización que guía las subunidades pequeñas al cloroplasto, donde se ensambla la enzima completa
Estudio de la Fotosíntesis
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00
El método implicaba exponer células de ______ a CO2 ______ por un tiempo corto y después cambiarlo por CO2 no ______.
algas
radiactivo
radiactivo
01
Para detener las reacciones fotosintéticas y aislar los compuestos, las células se trataban con ______ ______.
metanol
caliente
02
Los compuestos orgánicos se separaban por ______ en ______ y se identificaban los radiomarcados mediante ______.
cromatografía
papel
autoradiografía
