Fotosíntesis y respiración
Fotosíntesis y respiración Aspectos generales
Fotosíntesis. Es el proceso por medio del cual los organismos autótrofos producen glucosa a partir del bióxido de carbono y agua.
Lo que impulsa a este proceso es la energía luminosa. Por la acción fotosintética de la clorofila las plantas transforman la energía solar en energía química y la almacenan en forma de compuestos orgánicos reteniendo el bióxido de carbono y liberando oxígeno.
Los enlaces químicos de las moléculas orgánicas representan la energía almacenada o potencial, una parte de la cual es empleada por la planta para sintetizar otros componentes, para crecer o para el mantenimiento de la planta.
La siguiente ecuación representa el proceso de la fotosíntesis:
La fotosíntesis es la principal reacción endergónica en el mundo de los seres vivos, ya que se trata de un proceso de construcción, en el que se requiere de moléculas de baja energía, para con ellas formar otras de alta energía, proceso que sólo pueden realizar organismos autótrofos y que proporcionan la energía necesaria a través de las cadenas alimentarias a casi todos los seres vivos en la Tierra.
Respiración. El proceso a través del cual la energía acumulada en la molécula de glucosa o de otras moléculas combustibles es liberada y luego capturada por las células en forma de ATP (Trifosfato de adenosina) se le conoce con el nombre de respiración.
La respiración es un proceso exergónico en donde se involucran una serie de reacciones de oxido-reducción. La oxidación comprende la eliminación de electrones de átomos o moléculas, mientras que la reducción consiste en la adición de electrones a átomos o moléculas.
La respiración puede realizarse en ausencia de oxígeno en muchos microorganismos, como en las levaduras, pero en ella sólo se obtiene poca energía que se almacena en forma de ATP y la mayor cantidad de energía queda atrapada en los productos finales de este proceso, como son las moléculas de alcohol etílico, ácido butírico, ácido láctico, etc., en cambio cuando el proceso se realiza en presencia de oxígeno, la molécula de glucosa es degradada en su totalidad y así se obtiene una mayor cantidad de ATP, el cual se utiliza para realizar trabajo celular.
La siguiente ecuación ilustra el proceso de respiración aerobia.
Aquí podemos reconocer que esta ecuación es la inversa para la formación de glucosa en la fotosíntesis. Es importante señalar que entre la fotosíntesis y respiración existe una relación muy estrecha, entre el flujo de energía y materiales como se muestra en el siguiente diagrama:
Del cual se puede inferir que los elementos de las moléculas de CO2, H2O y el O2 se intercambian constantemente entre fotosíntesis, ambiente y respiración, reciclando sus componentes una y otra vez.
En la fotosíntesis el Co2 y H2O intervienen en la formación de los compuestos orgánicos y la liberación de O2, y en la respiración mediante la degradación de los compuestos orgánicos se libera CO2 y H2O que serán utilizados por las plantas durante el proceso de la fotosíntesis.
Indicadores. En química, los indicadores son compuestos que poseen un cierto color si la concentración del ion hidrógeno es superior a cierto valor y un color diferente, si la concentración es inferior al valor antes citado (cada indicador presenta valores diferentes). EL pH particular en el que se verifica el cambio de color depende del indicador.
El tornasol es un ejemplo muy conocido de estos colorantes; En los ácidos, por debajo de la gamma de pH de 4.5 a 8.5, es rojo. En bases (soluciones alcalinas) por encima de esos valores es azul.
Algunos de los indicadores más comunes, junto con los colores que les dan las soluciones en diversos niveles de pH se ven en la siguiente figura.
Empleando dos o más de ellos en porciones en una solución, podemos determinar el pH dentro de límites de una o dos unidades. Por ejemplo, suponiendo tener una solución que permanecerá incolora con la fenoftaleina sabremos que su pH debe ser inferior a 9, y puede tener cualquier valor menor. Pero si esa misma solución toma un color azul en presencia del azul de bromotimol, entonces de acuerdo a la tabla anterior su pH no podrá ser inferior a 8, y el pH de la solución deberá tener un valor entre 8 y 9.
Sin embargo, habrá ocasiones en las que no será necesario conocer el pH de una solución y bastará saber si hubo un cambio en la concentración de algún componente de una solución en particular, que pueda ser detectado mediante un ligero cambio de pH. Lo suficiente para virar el color de una solución predeterminada. Este es el caso de los dos experimentos que a continuación se describen.
Experimento I. Intercambio gaseoso en las plantas.
Objetivo. Que el alumno compruebe el intercambio de CO2 entre las plantas y el ambiente en los procesos de fotosíntesis y respiración.
Método. Después de haber visto en clase los temas de fotosíntesis y respiración celular y conocer el uso de los indicadores, en especial para esta práctica el uso del azul de bromotimol, se plantean las siguientes preguntas:
A) Qué molécula gaseosa emplean las plantas para efectuar la fotosíntesis.
B) Qué molécula gaseosa se excreta durante la respiración celular.
Después de la discusión grupal para la resolución de las preguntas anteriores, se les indica a los alumnos que con el material que a continuación se enlista traten de probar experimentalmente la absorción de CO2 durante la fotosíntesis y la excreción del mismo durante la respiración.
Material para la resolución de la pregunta A.
4 tubos de ensaye
2 plantas de Elodea
Azul de bromotimol
4 tapones para tubos de ensaye
Gradilla
Papel aluminio
Fuente de luz (luz directa de sol o lámpara)
Popote
Etiquetas
1 matraz de 250ml.
El objetivo es comprobar que el bióxido del carbono es consumido por las plantas durante la fotosíntesis, para lo cual habrá que tomar en cuenta que el bióxido de carbono disuelto en agua reacciona dando origen a un ácido (ácido carbónico H2 CO3) que en presencia del azul de bromotimol da una coloración amarilla (se puede hacer una demostración colocando un matraz con agua y azul de bromotimol suficiente para colorear el agua de color azul, y soplando con un popote dentro del agua hasta obtener un viraje en el color de azula amarillo, que indicará el paso de neutro a ácido).
El método para probar la absorción del bióxido de carbono durante la fotosíntesis es el siguiente:
1. Poner 200 ml. De agua en un matraz Erlenmeyer de 250 ml. Agregar azul de bromotimol hasta que el agua adquiera una coloración azul. (ver tabla de valores para indicadores).
2. Usando un popote, soplar dentro del agua con azul de bromotimol, hasta que la solución se torne amarilla (pH ácido inferior a 6). Llenar tres cuartas partes de cada tubo de ensaye con la solución amarrilla, etiquetarlos y numerarlos del 1 al 4.
3. Colorar una planta de Elodia en cada uno de los tubos 1 y 2, y tapar los cuatro tubos.
4. Los tubos 1 y 3 deberán colorarse a la luz por aproximadamente una hora (según la intensidad de la luz) y los tubos 2 y 4 se colocan a la oscuridad (Envolver en papel de aluminio)junto a los primeros.
5. Después de la hora comparar los tubos y anotar los cambios de coloración en el agua.
Al finalizar el experimento se podrá discutir grupalmente lo siguiente.
1. ¿Cuál es la explicación para el cambio de color o la ausencia de cambio en cada tubo?
2. ¿Cuáles fueron los tubos testigo?
3. ¿por qué las plantas acuáticas como la Elodea se encuentran en la superficie del agua.
4. Plantea un experimento para estudiar el efecto de diferentes longitudes de onda luminosa en la tasa de fotosíntesis.
5. Diseña un experimento para probar que durante la fotosíntesis se desprende oxígeno.
Entregar un informe escrito.
Parte B
Primero se plantea a los alumnos la pregunta problema. ¿Cómo probarías que las células de los vegetales desprenden bióxido de carbono durante la respiración? Usando el siguiente material.
3 matraces Erlenmeyer
2 tapones horadados
1 tapón
1 tubo de vidrio
Algodón o toallas de papel
25 semillas de frijol
Se discute por equipo el experimento a realizar para probar el desprendimiento de bióxido de carbono y una vez discutido y determinado como realizarlo se procede a la demostración que puede ser de la siguiente forma.
1. Se ponen a germinar 25 semillas de frijol en algodón o en servilletas de papel
2. Se monta un dispositivo como el que se ilustra a continuación
3. En un matraza (A) se colocan las semillas, se le pone un tapón horadado comunicándolo con otro matraz (B) por medio del tubo de vidrio como se ilustra en el esquema.
4. En los matraces que no contienen las semillas se les coloca una solución de azul de bromotimol en agua (10 gotas por cada 100 ml. De agua) de manera que el tubo de vidrio del matraz que contiene las semillas quede sumergido en el liquido.
5. Esperar 72 horas y ver los resultados
Al finalizar el experimento se podrá discutir grupalmente lo siguiente.
1. ¿Para que sirve el matraz (3) que no está conectado al matraz de las semillas?
2. Si las semillas desprenden bióxido de carbono. Qué se puede esperar que suceda con la solución de azul de bromotimol que está conectada al matraz de las semillas.
3. Qué sucederá en el segundo matraz
Experimento II: Determinación de la relación entre la actividad metabólica y la producción de bióxido de carbono.
Objetivo. Comprobar cuantitativamente que a mayor actividad física mayor desprendimiento de bióxido de carbono.
Material.
4 vasos de precipitado
1 probeta graduada de 100 ml.
1 gotero
1 popote
Solución de fenoftaleina al 1 % en frasco gotero
Solución de NaOH al 0.14 %
Método.
1. A un vaso de precipitado con 100 ml. De agua se le agregan 10 gotas de solución de fenoftaleina. Si toma una coloración rosada indicará que no contiene bióxido de carbono disuelto en ella. Si el agua permanece incolora indicará que tiene algo de bióxido de carbono disuelto
Para saber cuánto bióxido de carbono hay disuelto se deberá agregar solución de NaOH gota a gota, agitando el vaso hasta que aparezca una coloración ligeramente rosada. Dejar de agitar cuando aparezca el color, el cual deberá perdurar por lo menos 15 segundos. Anotar en el cuadro el número de gotas de NaOH agregadas.
2. En otro matraz poner 100 l. De agua y 10 gotas de fenoftaleina. Un miembro de cada equipo deberá permanecer durante 5 minutos completamente en reposo. Después soplará con el popote en la solución de este vaso durante 30 segundos. La solución se tornará incolora indicando un pH ácido. Agregar la solución de NaOH gota a gota agitando el vaso hasta que aparezca el color rosa; Anotar en número de gotas en el cuadro.
3. Repetir la experiencia anterior (utilizando un vaso nuevo con solución de fenoftaleina) con el mismo alumno, pero ahora después de caminar normalmente durante 2 minutos. Contar las gotas de NaOH utilizadas para neutralizar el bióxido de carbono
4. Repetir el paso anterior, pero ahora después de que el alumno haga ejercicio intenso durante u2 minutos. (bailar, corre, hacer sentadillas etc.,)
Al finalizar el experimento se podrá discutir grupalmente lo siguiente.
1. ¿cuál es la explicación para el cambio de color o su ausencia en cada vaso de precipitado?
2. ¿Cuál fue el vaso testigo?
3. Cómo se relaciona la producción de bióxido de carbono con la actividad física?
4. ¿Qué otro factores, además del ejercicio podrían influir en la determinación del aumento de bióxido de carbono que exhalamos?
Para finalizar el alumno debe hacer un informe científico que entregara a su profesor.
Práctica de fermentación
INTRODUCCIÓN
Frecuentemente nos preocupamos por los efectos perjudiciales de la actividad microbiana (enfermedades transmisibles, descomposición de alimentos, degradación y deterioro de otros materiales). Sin embargo, tales efectos dañinos están compensados por todos los beneficios que los microorganismos proveen al ser humano. Un ejemplo de estos beneficios son los productos obtenidos a través proceso de la fermentación.
La fermentación es un proceso de degradación de los azúcares en ausencia de oxígeno con liberación de dióxido de carbono y energía, (a diferencia de la respiración aerobia es una forma incompleta de respiración debido a que la molécula de glucosa es parcialmente degradada durante el proceso). La mayor parte de la energía potencial total permanece como tal en los productos finales: alcoholes o ácidos. El inicio del proceso es la glicólisis, que consiste en una serie de reacciones donde una molécula de glucosa se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico. La ganancia neta, de energía es de dos de ATP y dos moléculas de NADH por molécula de glucosa. Las dos moléculas de ácido pirúvico contienen todavía una gran parte de la energía que se encontraba almacenada en la molécula de glucosa original. Esta serie de reacciones se llevan a cabo en todas las células desde las células procarióticas hasta las células eucarióticas.
El ácido pirúvico puede seguir una de varias vías. Una es aeróbica (con oxígeno) y las otras son anaeróbicas (sin oxígeno). En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en etanol (alcohol etílico) o en uno de varios ácidos orgánicos diferentes, de los cuales el ácido láctico es el más común (Fig. 1). El producto de la reacción depende el tipo de célula. Por ejemplo, las levaduras transforman el jugo de fruta en vino. El ácido láctico se forma a partir del ácido pirúvico, por acción de una variedad de microorganismos como son algunas baterias pertenecientes al género Lactobacilus.
Por lo tanto existen diversos tipos de fermentación, los cuales producen diferentes productos secundarios, muchos de los cuales son de gran importancia económica. Un tipo de fermentación es la que se lleva a cabo en las frutas, granos, melazas y diferentes tipos de líquidos. Este proceso lo realizan diferentes cepas de levaduras (hongos) obteniendo como productos varios tipos de bebidas alcohólicas (vinos, cervezas, sidra, champaña, aguardientes, tequila, entre otros). Las levaduras también son empleadas en la industria panificadora. Se conocen más de 160 especies diferentes de levaduras, pero la más conocida y utilizada en la industria del pan y cervecería es Saccharomyces cerevisiae. Las levaduras eran utilizadas por los egipcios y otras culturas antiguas sin saber que eran microorganismos. En 1680, Anton van Leeuwnhoek observó por primera vez las levaduras bajo el microscopio y en 1857, Louis Pasteur descubrió que estos organismos realizan el proceso de fermentación.
Otros tipos de fermentaciones microbianas dan lugar a una gran variedad de subproductos metabólicos. Entre ellos se encuentra el ácido láctico, producto de la elaboración de quesos, yogurt, ácidos orgánicos, como el ácido acético, el cítrico y el glucónico, solventes industriales como acetona, glicerol, glicoles y alcoholes, y diversas enzimas, antibióticos, vitaminas y hormonas (Fig. 2). Por tal motivo, es importante entender este proceso.
OBJETIVO
El alumno comprobará que durante la fermentación se produce bióxido de carbono.
El alumno comprobará sí la cantidad de levadura es directamente proporcional con la producción de bióxido de carbono
MATERIAL
Levadura activa seca (lo consigues en el laboratorio)
250 ml. de agua caliente
1 vaso de p.p. de 500 ml.
I soporte universal
1 mechero
1 agitador
Dos cucharadas de azúcar
Un globo
Una botella plástica.
Una balanza.
PROCEDIMIENTO
1. Infla varias veces el globo para estirarlo un poco
2. En un vaso de p.p. coloca 250 ml. de agua y caliéntala pero sin dejarla hervir. Asegúrate que la temperatura del agua no sea muy alta. Si aun está muy caliente debes espera que se enfríe un poco, pues de lo contrario las levaduras morirán.
3 Agrega el azúcar y la levadura (Tabla 1). Mezcla hasta que se disuelvan.
Tabla 1: Cantidad de levadura por equipo (unidades en gramos)
EQUIPO CANTIDAD DE LEVADURA
1 2.5
2 2
3 1.5
4 1
5 5
6 0
4. Transfiere el líquido a la botella plástica. No es necesario que la , llenes, sólo agrega líquido hasta la mitad de la botella (250 milimetros).
5. Sujetando la botella, coloca el globo en la boca de la misma.
6. Espera unos 30 minutos y observa qué sucede.
BIBLIOGRAFIA Curtis, H y Barnes. N. S. 2003. Biología. Editorial Médica Panamericana. 6ª Edición. Madrid. España.216-217. WWW.carolina.com/biotech/ WWW.histrorymole.com WWW.jic.bbsrc.ac.uk/corporate/Media_and_Public/media.htm