Transpiración.- Una mínima cantidad del agua
que entra a las raíces es retenida por la planta, la mayor cantidad se evapora
y pasa a la atmósfera a través de las hojas y de otras estructuras aéreas. El
fenómeno consistente en esta pérdida de agua se conoce como transpiración. Será
interesante conocer cómo transpira una planta, porque lo hace, cuando ocurre
este fenómeno y que cambios metabólicos se llevan a cabo cuando la planta está
transpirando.
El
diámetro funcional de los vasos es mayor que el de las traqueidas, carecen de
paredes terminales por lo que son funcionalmente más eficientes. El agua
asciende por el xilema por la fuerza de la transpiración,
agua que se pierde por las hojas. Una planta madura de maíz puede transpirar 16
litros de agua por semana. Los valores pueden ser mayores en zona áridas.
Las
moléculas de agua esta unidas unas a otras por puente hidrogeno. El
agua que se pierde a nivel de las hojas produce la difusión de
moléculas de agua adicionales provenientes del xilema de las hojas, creando un
arrastre de las moléculas de agua a lo largo de la columna de agua que se
encuentra en el xilema.
Este
"arrastre" permite que el agua pueda llegar desde las raíces a las hojas.
La pérdida de agua del xilema de la raíz produce el paso de agua desde la
endodermis al xilema de la raíz.
La cohesión es la capacidad de
permanecer juntas que tienen ciertas las moléculas de la misma clase. Las
moléculas de agua son polares, poseen polos, uno ligeramente positivos y el
otro ligeramente negativo, lo que causa su cohesión. En el interior del xilema,
las moléculas de agua se comportan como una larga cadena que se extiende desde
las raíces hasta las hojas.
La adhesión es la tendencia de
permanecer juntas que tienen ciertas moléculas de diferentes clases. El agua se
adhiere a las moléculas de celulosa de las paredes del xilema contrarrestando
de esta manera la fuerza de la gravedad y ayudando, por lo tanto al ascenso del
agua por el xilema.
Nutrición mineral.- Los nutrientes minerales son
introducidos a la planta y transportados a través del flujo hídrico, sin
embargo, es necesario conocer como son llevados hasta el interior de cada
célula donde serán utilizados para la síntesis de los compuestos que actúan en
el metabolismo celular. También es interesante saber el papel que juega cada
elemento químico, considerado como nutriente, en el metabolismo, además de
conocer los síntomas que expresa la planta ante la ausencia o deficiencia de los
elementos esenciales.
Junto
con la reproducción y la capacidad de relacionarse, la nutrición es
una de las características inherentes de los seres vivos. Cualquier ser vivo,
por su actividad vital (crecimiento, mantenimiento y reproducción) requiere
continuos aportes de energía para reponer las pérdidas y, para que todo el
sistema pueda funcionar.
A
diferencia de los animales, organismos que obtienen su alimento de aquello que
ingieren (heterótrofos),
las plantas son organismos
autótrofos.
No todas las células de los vegetales superiores están en contacto con los nutrientes, ni los procesos de difusión son tan rápidos para acercarlos a todas las células. De este modo se presenta una división de trabajo entre sus células con la consiguiente diferenciación morfológica formándose órganos, los cuales se especializan en las distintas funciones.
No todas las células de los vegetales superiores están en contacto con los nutrientes, ni los procesos de difusión son tan rápidos para acercarlos a todas las células. De este modo se presenta una división de trabajo entre sus células con la consiguiente diferenciación morfológica formándose órganos, los cuales se especializan en las distintas funciones.
Mediante
la fotosíntesis que
usa la luz solar como fuente de energía, las plantas son capaces de sintetizar
todas las macromoléculas orgánicas que necesitan, a partir de la modificación
de los azúcares que se formaron durante la misma.
Además
las plantas deben absorber, para su uso, varios tipos de minerales a
través del sistema radicular.
Una dieta balanceada
- El carbono, hidrogeno, y el oxígeno son considerados los elementos esenciales.
- El nitrógeno, el potasio, y el fósforo se obtienen del suelo y son los macronutrientes primarios.
- El calcio, el magnesio y el azufre son los macronutrientes secundarios que se necesitan en menor cantidad.
- Entre los micronutrientes, necesarios en muy pequeñas cantidades y tóxicos cuando aumenta su concentración, encontramos al hierro, manganeso, cobre, zinc, boro, y cloro.
Un fertilizante
completo provee los tres macronutrientes primarios, alguno de los secundarios y
micronutrientes. El producto comercial generalmente posee una etiqueta con
números como 5-10-5, que hacen referencia al porcentaje en peso de los
macronutrientes primarios.
Fotoquímica
La fotoquímica, una subdisciplina de
la química, es el estudio de las interacciones entre Átomos, Moléculas
pequeñas, y la luz (o Radiación
electromagnética).La
fotoquímica puede ser introducida como una reacción que procede con la
absorción de luz. Normalmente, una reacción (no sólo una reacción fotoquímica)
ocurre cuando una molécula gana la energía de activación necesaria para
experimentar cambios.
En el caso de las reacciones
fotoquímicas, es la luz la que provee la Energía de activación. Un caso específico de
fotoquímica sucede el proceso Fotosintético (Fotosíntesis)
Fotosíntesis
La fotosíntesis (del griego antiguo
foto, "luz", y síntesis, "unión") es la conversión de
energía luminosa en energía química estable, siendo el adenosín trifosfato
(ATP) la primera molécula en la que queda almacenada esa energía química. Con
posterioridad, el ATP se usa para sintetizar Moléculas
orgánicas de mayor estabilidad.
Además, se debe de tener en cuenta que la vida
en nuestro planeta se mantiene fundamentalmente gracias a la fotosíntesis que
realizan las Algas,
en el medio acuático, y las plantas, en el medio terrestre, que tienen la
capacidad de sintetizar Materia orgánica (imprescindible para la constitución
de los seres vivos) partiendo de la luz y la materia inorgánica.
De hecho, cada año los organismos
fotosintetizadores fijan en forma de materia orgánica en torno a 100.000
millones de toneladas de Carbono.
Los orgánulos citoplasmáticos
encargados de la realización de la fotosíntesis son los cloroplastos, unas
estructuras polimorfas y de color verde (esta coloración es debida a la
presencia del pigmento Clorofila) propias de las células vegetales.
En el interior de estos orgánulos se
halla una cámara que contiene un medio interno llamado estroma, que alberga
diversos componentes, entre los que cabe destacar enzimas encargadas de la
transformación del Dióxido de carbono en materia orgánica y unos sículos
aplastados denominados tilacoides o lamelas, cuya membrana contiene pigmentos
fotosintéticos. En términos medios, una célula foliar tiene entre cincuenta y
sesenta cloroplastos en su interior.
Los organismos que tienen la capacidad
de llevar a cabo la fotosíntesis son llamados fotoautótrofos (otra nomenclatura
posible es la de autótrofos, pero se debe tener en cuenta que bajo esta
denominación también se engloban aquellas Bacterias que realizan la Quimiosíntesis)
y fijan el CO2 atmosférico.
En la actualidad se diferencian dos
tipos de procesos fotosintéticos, que son la fotosíntesis oxigénica y la
fotosíntesis anoxigénica. La primera de las modalidades es la propia de las
plantas superiores, las algas y las cianobacterias, donde el dador de Electrones es el agua y, como consecuencia, se
desprende Oxígeno.
Mientras que la segunda, también
conocida con el nombre de fotosíntesis bacteriana, la realizan las bacterias
purpúreas y verdes del Azufre, en las que en dador de electrones es
el sulfuro de hidrógeno, y consecuentemente, el elemento químico liberado no
será oxígeno sino azufre, que puede ser acumulado en el interior de la
bacteria, o en su defecto, expulsado al agua.
La fotosíntesis ocurre en organelas
específicas llamadas cloroplastos, que se encuentran en células
fotosintéticas, es decir, en células de productores expuestas al sol. En
plantas terrestres estas células están en hojas y tallos verdes (los tallos
leñosos tienen células muertas que forman la corteza). Existen también algas
fotosintéticas que no poseen cloroplastos, pues son organismos unicelulares
procariontes (sin núcleo verdadero ni compartimientos celulares) y también
realizan la fotosíntesis.
Estas células, llamadas cianofitas o
algas verde azules, son seguramente muy similares a los primeros organismos
fotosintéticos que habitaron nuestro planeta y realizan la fotosíntesis en
prolongaciones de su membrana plasmática y en su citoplasma.
El proceso de fotosíntesis ocurre en 2
etapas, la primera, llamada etapa fotodependiente, ocurre sólo en presencia de luz
y la segunda, llamada etapa bioquímica
o ciclo de Calvin, ocurre de manera independiente de la luz. Pero antes de
comenzar a estudiar ambas etapas es conveniente ver algunas características de
los cloroplastos que permiten la realización de la captación de energía
lumínica.
En principio, los cloroplastos tienen pigmentos que son moléculas
capaces de "capturar" ciertas cantidades de energía lumínica. Dentro
de los pigmentos más comunes se encuentra la clorofila a y la clorofila b,
típica de plantas terrestres, los carotenos, las xantóficas, fucoeritrinas y
fucocianinas, cada uno de estos últimos característico de ciertas especies.
Cada uno de estos pigmentos se "especializa" en captar cierto tipo de
luz.
Como
sabemos el espectro lumínico que proviene del sol se puede descomponer en
diferentes colores a través de un prisma, cada color corresponde a una cierta intensidad
de luz, que puede medirse en longitudes de onda. Cada pigmento puede capturar
un tipo distinto de longitud de onda ß.
En el esquema se muestran los
espectros de absorción de la clorofila (a y b), carotenos, ficoeritrina y
ficocianina. Como puede observarse cada pigmento tiene un pico de absorción
característico.
Pero
para hacer más eficiente la absorción de luz las plantas utilizan sistemas "trampa" o fotosistemas,
con un pigmento principal como la clorofila a o b y diferentes pigmentos
accesorios. A través de estos sistemas los autótrofos pueden aprovechar mejor
la energía lumínica.
Así, los fotosistemas cuentan con un
centro de reacción ocupado generalmente por clorofila (a o b) en las plantas
terrestres, hacia donde es dirigida la energía lumínica, como se verá a
continuación.
Antes de comenzar a describir los
reacciones químicas que ocurren en la etapa fotodependiente es conveniente
ubicarnos espacialmente en el lugar de la planta donde ocurren.
Como ya hemos dicho, los cloroplastos
se ubican en las células expuestas a la luz, es decir, aquéllas partes de la
planta que son fotosintéticamente activas.
En el caso de las plantas superiores
la fotosíntesis ocurre principalmente en las hojas, y dentro de éstas, en
cloroplastos ubicados en células del parénquima, que es uno de los tejidos de la hoja. Las hojas, además, poseen
pequeñas abertura o "estomas", formadas por células que pueden
agrandar o cerrar la abertura y que permiten, de este modo, regular la entrada
o salida de agua y gases, como el oxígeno y dióxido de carbono.
Los cloroplastos son organelas
formadas por una doble membrana externa y vesículas apiladas formando estructuras llamadas grana. Cada grana está formada
por varios tilacoides.
En la membrana de los tilacoides se
ubican los pigmentos fotosintéticos, que pueden captar la energía lumínica y
dar comienzo a la etapa fotodependiente.
Como ya se ha mencionado, la clorofila
y otros pigmentos se ubican en los cloroplastos, dentro de la membrana
tilacoide, en unidades llamadas fotosistemas. Cada unidad tiene numerosas
moléculas de pigmentos que se utilizan como antenas para atrapar la luz.
Cuando la energía lumínica es
absorbida por uno de los pigmentos, se desprenden electrones que rebotan en el
fotosistema hasta llegar al centro de reacción, la clorofila a. El fotosistema
que reacciona primero ante la presencia de luz es el fotosistema I.
La estructura de la membrana tilacoide permite que
los electrones, provenientes de la exitación fotoquímica de la clorofila sean
recibidos por moléculas especializadas, llamadas aceptores, que sufren
sucesivamente reacciones de óxido-reducción
y transportan los electrones hasta un aceptor final, la coenzima NADP.
Para que se lleve a cabo la producción de ATP (energía química) y se reduzca
la coenzima NADP es necesario que reaccione otro fotosistema asociado, el
fotosistema II. En este se produce también la exitación fotoquímica de la
clorofila, que libera electrones. Los electrones son transferidos de un aceptor
a otro a través de una cadena de transporte que los guía hasta el fotosistema I,
quedando de este modo restablecida la carga electroquímica de esta molécula. Simultáneamente, en
el fotosistema II se produce la lisis o ruptura de una molécula de agua.
Este proceso, también llamado
fotooxidación del agua, libera electrones, que son capturados por el
fotosistema II, oxígeno, que es liberado a la atmósfera a través de los estomas, y protones, que quedan
retenidos en el espacio intratilacoideo.
En la etapa fotodependiente se
producen dos procesos químicos que son decisivos para la
producción final de glucosa, estos son la reducción de la
coenzima NADP y la síntesis de ATP. El NADP se reduce a NADPH+H+
con los protones que libera la molécula de agua. La coenzima NADP reducida aportará los protones necesarios
para sintetizar la molécula de glucosa, mientras el ATP liberará la energía
necesaria para dicha síntesis.
Asociada a la membrana tilacoide se
encuentra la enzima ATP sintetasa (ó ATP asa) que es la responsable de la
producción de ATP. Esta enzima es capaz de transportar protones a través de un
canal ubicado en su interior y transformar la energía cinética de los protones
en energía química que se conserva en el ATP.
De esta forma, la enzima ATP sintetasa
libera el gradiente electroquímico que se produce dentro del tilacoide y
utiliza la energía de este gradiente para adicionar un grupo fosfato al ADP produciendo ATP. Por
otra parte, los protones que ahora se encuentran la matriz del cloroplasto, se unen a la
coenzima NADP produciendo NADPH+H+.
La energía liberada por el transporte
de protones es utilizada para adicionar un grupo fosfato al ADP y producir ATP.
Los protones se unen a la coenzima NADP y la reducen a NADPH+H+. Ambos
productos, ATP y NADPH+H+ son utilizados en la siguiente etapa de la fotosíntesis.
El oxígeno del agua es liberado a la atomósfera.
Etapa fotoindependiente o ciclo de Calvin
El ciclo de Calvin ocurre en el
estroma o matriz del cloroplasto. Allí se encuentran las enzimas necesarias que catalizarán la
conversión de dióxido de carbono (CO2) en glucosa utilizando los
protones aportados por la coenzima NADP más la energía del ATP. El dióxido de
carbono ingresa a traves de los estomas y llega hasta la molécula aceptora del
ciclo, una pentosa llamada ribulosa di fosfato, combinándose con esta mediante
la acción de la enzima ribulosa bifosfato
carboxilasa oxigenasa o rubisco.
El primer producto estable de la fijación de CO2
es el ácido-3-fosfoglicérico (PGA), un compuesto de 3 carbonos. La energía del
ATP es utilizada para fosforilar el PGA y formar ácido 1,3 difosfoglicérico, el
cual es reducido luego mediante la acción del NADPH+H+ a
gliceraldehido-3-fosfato (PGAL). Una parte del gliceraldehido-3-fosfato es
utilizada en el ciclo para sintetizar glucosa, mientras que el resto se utiliza
para regenerar la ribulosa, que da comienzo a un nuevo ciclo.
Una gran parte del PGAL se transforma
en almidón (carbohidrato de reserva) en el estroma del cloroplasto. Otra parte
del PGAL es exportado al citosol, donde se transforma en intermediario de la
glucólisis.
También se obtienen intermediarios de
azúcares de gran importancia biológica, como la sacarosa. Este disacárico es la
principal forma en que los azucares se transportan a través del floema, desde
las hojas hasta los sitios de la planta donde son requeridos.
Respiración.- En esta función se describen la serie de
reacciones que son necesarias para desdoblar u oxidar la glucosa, que fue
sintetizada en fotosíntesis, y liberar energía en forma de ATP que luego será
utilizada en el resto del metabolismo celular.
Crecimiento y Desarrollo.- Se
describe el uso de la energía "producida" en la respiración en forma
de ATP para la división celular y como consecuencia de esta división de la
célula el consiguiente crecimiento de la planta. Se analiza también la
diferenciación que sufren las células que producen el crecimiento y la
formación de las estructuras reproductoras (flores) y la formación de los
frutos y las semillas.
Ok
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