jueves, 31 de octubre de 2013

Fotosíntesis, fase luminosa y Biotecnología


Chicos:

Actualización:  

Aquí el enlace a los datos del Boing de uva que se empleo en la práctica.

[Sí. También utilizan colorantes artificiales =( ]

El material para el lunes, son dos lecturas. Su respectivo resumen y dudas en el cuaderno =)



Además coloquen sus fotos de la práctica de respiración en una presentación de Powerpoint para analizar sus resultados. Puede trabajar colaborativamente en Google Doc´s

Recuerden su monografía sobre las vitaminas. (De papelería). Pero leanla ! =)

  • Enlace al material sobre la fase luminosa:




  • Fotosíntesis y Biotecnología



La población mundial crece a gran velocidad. Uno de los problemas que surge en este escenario es: ¿cómo se responde a la demanda alimentaria creciente?
Para que la demanda de comida en el mundo sea satisfecha será necesario un incremento en el rendimiento de los cultivos. Se cree que el maíz, arroz, trigo, soja, cebada y sorgo serán las más importantes fuentes nutricionales del futuro.
En el caso del arroz, por ejemplo, se estima que se necesitará un incremento del rendimiento del 50% para el año 2030. Dado que el índice de cosecha para muchos cultivos ha alcanzado el máximo valor, es decir que no se puede aumentar la superficie de cultivo, el aumento en el rendimiento se logrará a través de un incremento en la biomasa del cultivo y en la fotosíntesis neta. Para esto es necesario aumentar el área de las hojas, o la fotosíntesis neta por área de hoja. Es decir, habrá que lograr un aumento en la fotosíntesis por hoja.
La pregunta es: ¿qué parte del proceso fotosintético puede ser modificado para aumentar la cantidad de CO2 fijado?
El mejoramiento genético, el uso de fertilizantes, y la optimización del manejo de los diferentes cultivos desde mediados de los ‘50 han generado un importante incremento mundial en el rendimiento potencial y real de la inmensa mayoría de los  cultivos.  Esta tendencia deberá mantenerse, pero aún con mayores tasas de aumento en los rendimientos.

Factores que modulan la fotosíntesis
Aumentar la tasa de fotosíntesis resulta la estrategia más lógica y promisoria para incrementar el rendimiento de los diferentes cultivos. Esta idea se basa en que toda la materia seca producida depende del proceso de fotosíntesis. Sin embargo, su  puesta en práctica no es tan simple. La fotosíntesis es un proceso que no ocurre aislado de su entorno. El medioambiente tiene un efecto muy marcado en la eficiencia fotosintética de las distintas plantas. ¿Como hacer para regular un proceso en el que están implicadas 50 reacciones enzimáticas? ¿Como regular un proceso en el cual todas las reacciones involucradas se ven alteradas por el medioambiente?
Existen factores internos y externos que pueden regular en mayor o menor medida a la fotosíntesis, como muestra la ilustración:
Factores internos y externos que influyen en el proceso fotosintético 

Cada uno de los factores ambientales citados afecta la tasa de fotosíntesis de diferente manera:
La concentración del CO2 es uno de los factores ambientales con mayor influencia sobre la fotosíntesis y sobre el crecimiento de las plantas. Este gas estimula la fotosíntesis por su función de sustrato. 
En cambio, altas concentraciones de O2 inhiben el proceso de fotosíntesis.
Los altos niveles de luz (energía lumínica) permiten que se exprese la máxima capacidad de fotosíntesis, mientras no haya restricción de agua y nutrientes. Aumentar la penetración de radiación dentro del área de cultivo es una forma de inducir mayores tasas fotosintéticas.
En cuanto a la temperatura, las plantas viven y fotosintetizan en una gran variedad de hábitats con grandes diferencias en sus condiciones térmicas. Como en cualquier otro proceso bioquímico, la capacidad fotosintética de cada especie tiene un óptimo de temperatura. La mayor eficiencia de fotosíntesis ocurre a la temperatura óptima para ese cultivo. Por encima de ese valor, la fotosíntesis disminuye por la desnaturalización (pérdida de la estructura espacial) de las enzimas.
Los factores internos que aumentan la tasa de fotosíntesis son el contenido de clorofila en cloroplastos, la duración del pigmento en las hojas, la apertura de los estomas (que intercambian gases con el entorno), y la actividad de la enzima denominada rubisco).

Una enzima clave: la rubisco
La enzima RuBisCO (ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa-oxigenasa) cataliza una reacción clave en la fotosíntesis: la asimilación y fijación del CO2 en la vía de síntesis de materia orgánica (ver cuaderno 106). La actividad de la enzima rubisco es la variable interna de mayor influencia sobre la fijación de CO2. Se han encontrado diferencias importantes en la actividad de esta enzima entre plantas con alta o baja tasa fotosintética. Pero, esta enzima también cataliza un proceso opuesto al anterior: la fotorrespiración. Si la concentración de CO2 es baja, funciona como oxidasa, y en lugar de ayudar a la fijación de CO2 se produce la oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O, y al proceso se le conoce como fotorrespiración (que no debe confundirse con la respiración mitocondrial).
La Rubisco es la enzima más abundante de la biosfera y constituye alrededor del 50% de la proteína soluble de las hojas de las plantas. La estructura de la rubisco en eucariotas y algunos procariotas consiste en 8 subunidades grandes y 8 subunidades pequeñas. El sitio activo se encuentra en las subunidad grande. De modo que existen ocho sitios activos por molécula de Rubisco.
En cambio, la mayoría de las bacterias presentan rubisco de 4 subunidades grandes y 4 chicas. En particular, la rubisco de Rhodospirillum rubrum, presenta una estructura más simple aún: dos subunidades grandes y dos pequeñas. 
La reacción catalizada por la rubisco es limitante en la  etapa de foto-asimilación de la fotosíntesis. Se trata de una enzima ineficiente, por ello se esta investigando la optimización de su actividad catalítica por ingeniería genética.   
La enzima rubisco es considerada ineficiente por dos motivos:
1. Tiene baja tasa de recambio de sustrato (la cantidad de sustrato que une por unidad de tiempo). Su actividad catalítica es lenta: la rubisco cataliza la condensación de tres moléculas de CO2 por segundo, mientras que la mayoría de las enzimas unen alrededor de mil moléculas de sustrato por segundo.
2. Cataliza dos reacciones competitivas: la carboxilacion y la oxigenación de la RuBP (ribulosa-1,5-bifosfato). De ahí su nombre: carboxilasa/oxigenasa. Esta enzima presenta actividad oxigenasa, lo que implica que, en su sitio activo, puede unir O2 en lugar de CO2, y en ese caso ocurre el proceso de fotorrespiración. En este proceso la planta consume O2. El O2 desplaza al CO2 del sitio activo de la enzima, y esto disminuye la tasa de fijación de CO2 y la eficiencia de la fotosíntesis. La reacción de oxigenación puede resultar en pérdidas del 30-50% del carbono fijado. En condiciones de alta temperatura y sequía, las pérdidas por fotorrespiración aumentan sustancialmente.  Esto ocurre ya que, a altas temperaturas, la solubilidad del CO2 disminuye drásticamente, resultando en una menor disponibilidad del CO2 respecto del O2 en el sitio activo de la rubisco. 
La enzima rubisco cataliza dos reacciones competitivas: la carboxilacion de la RuBP (Fotosíntesis) y la oxigenación de la RuBP (Fotorrespiración).

Actualmente, la fotorrespiración y su marcado efecto en la producción agrícola están siendo investigados para el desarrollo de estrategias tendientes a minimizar la fotorrespiración en plantas. 
Sin embargo, cabe la posibilidad de que con el tiempo la fotorrespiración pueda minimizarse sin estrategia de modificación genética alguna. La industrialización, la deforestación, la combustión de medios de transporte, entre otras causas, están provocando un fuerte aumento en la concentración atmosférica de CO2. A pesar de todos los efectos nocivos que esto tiene sobre la Tierra, las plantas cuya eficiencia fotosintética es menor debido a la actividad oxigenasa de la rubisco, podrían verse favorecidas. Bajo estas condiciones, habría una supresión natural de la fotorrespiración y, en consecuencia, mayores tasas fotosintéticas. 

Estrategias fotosintéticas: Plantas C3, C4 y CAM
En células del mesófilo, donde ocurre la fotosíntesis, la concentración efectiva de CO2 es baja, al igual que en la atmósfera. Además, existen diversas barreras, sobre todo en la apertura de los estomas, que limitan el flujo de CO2 hacia la rubisco. Por otro lado, mantener los estomas abiertos tiene un costo elevado en pérdida de agua por transpiración. Algunas plantas de zonas calidas, áridas o semiáridas tienen mecanismos para concentrar el CO2 en el entorno de la rubisco, y  presentan diferentes anatomías foliares que hacen disminuir la fotorrespiración y la pérdida de agua por transpiración. 
Las plantas terrestres se pueden clasificar en tres tipos fotosintéticos:
•    C3 (arroz, trigo, papa, cebada, tomate, etc.)
•    C4 (maíz, caña de azúcar, sorgo, etc.)
•    CAM (cactus, orquídeas, aloe vera, nopal, piña, etc.)

Las vías C4 y CAM involucran mecanismos especializados, con costo de energía, para la concentración y transporte del CO2 a los sitios de fijación de la enzima rubisco. Están adaptadas a zonas donde existe una limitada disponibilidad de agua. La eficiencia fotosintética de estos dos grupos de plantas es superior a la de las plantas C3 bajo estas mismas condiciones ya que evolutivamente han desarrollado estrategias para reducir el proceso de fotorrespiración.

1. Plantas C3: La mayoría de las plantas vasculares, las cianobacterias y las algas verdes están incluidas en este grupo (ver Cuaderno nº 106).
Anatomía foliar de planta C3
Fuente: Taiz, L.; Zeiger, E. Plant physiology. 3rd. ed. Sunderland: Sinauer Associates, cop. 2002

2. Plantas C4: Este grupo de plantas debe su nombre a que el producto inmediato de la fijación del CO2 es un ácido de 4 carbonos. Son plantas adaptadas a climas tropicales y cálidos. En sus hojas los haces vasculares están rodeados de un conjunto de células, llamadas del “haz de la vaina”, y por fuera de ellas se encuentran las células del mesófilo. 
Anatomía foliar de planta C4.
Fuente: Taiz, L.; Zeiger, E. Plant physiology. 3rd. ed. Sunderland: Sinauer Associates, cop. 2002

Las plantas C4 han desarrollado evolutivamente una estrategia tendiente a minimizar las pérdidas ocasionadas por fotorrespiración. Estas plantas poseen una enzima adicional, la PEP carboxilasa, que es capaz de fijar CO2 sin ser inhibida por la presencia de O2 (como ocurre con la rubisco).  El mecanismo empleado por las plantas C4 (ver imagen) consiste en que la PEP carboxilasa fija el CO2 en las células del mesófilo y forma un compuesto de 4 carbonos. Este compuesto es transportado a las células del haz de la vaina donde libera el CO2, que es fijado definitivamente por la rubisco. En las células del haz de la vaina ocurre el ciclo de Calvin. Es decir que existe una separación espacial entre la fijación primaria de la PEP carboxilasa y la definitiva de la rubisco. 
Estrategia fotosintética de plantas C4

3. Plantas CAM (Crassulacean acid metabolism): El mecanismo fotosintético de este grupo fue descubierto en plantas de la familia de las crasuláceas, de allí su nombre. Estas plantas cuentan con adaptaciones para tolerar el estrés hídrico, en su mayoría son plantas suculentas, con hojas carnosas, que habitan desiertos cálidos, con alta radiación solar y escasez de agua. Mantienen cerrados sus estomas durante el día para evitar la pérdida de agua por transpiración y, durante la noche, el CO2 que ingresa por los estomas es fijado por la enzima PEP carboxilasa con formación de acido málico (malato). Este compuesto de 4 carbonos es almacenado en vacuolas. Durante el día, en los cloroplastos, el malato pierde un carbono en forma de  CO2. Este CO2 ingresa al ciclo de Calvin y es fijado por la enzima rubisco. Por lo tanto, el entorno de la rubisco se encuentra enriquecido en CO2 mientras que la enzima PEP carboxilasa fija el CO2 de forma transitoria en un entorno más oxidante. Este mecanismo, al igual que en las plantas C4, tiende a minimizar la fotorrespiración.  En este caso existe una separación temporal entre las actividades de la PEP carboxilasa y la rubisco (ver imagen).

Estrategia fotosintética de plantas CAM


El rendimiento de los cultivos y el mejoramiento tradicional 

El rendimiento de cultivos económicamente importantes  como el trigo, arroz y maíz se ha duplicado en el último siglo por mejoramiento tradicional.
El rendimiento de un cultivo puede entenderse desde dos perspectivas:
- Biológica: rendimiento en biomasa,
- Agronómica: rendimiento de semilla o grano.  

El rendimiento es el resultado de la interacción de diferentes factores como la fotosíntesis, la respiración, los nutrientes disponibles, el estado hídrico de las plantas, entre otros. A su vez, estos factores son alterados por las condiciones climáticas reinantes durante el crecimiento del cultivo y por el manejo del cultivo (control de malezas, fertilizantes, densidad de siembra, etc.). Por eso, una estrategia factible  para incrementar  el rendimiento de los cultivos es la de aumentar la tasa fotosintética.
Los mejores  rendimientos fueron logrados principalmente por el aumento del área foliar, la duración diaria de la fotosíntesis, variantes “stay green” con senescencia retardada, nivel de clorofila en hoja, etc.
Todavía quedan oportunidades para continuar mejorando la fotosíntesis total y el rendimiento de la cosecha utilizando técnicas convencionales de mejoramiento. Un ejemplo de mejoramiento tradicional para la optimización de la fotosíntesis es la selección de cultivos con hojas que no sean completamente horizontales y que permitan que la radiación también incida en las hojas inferiores de la planta.
Un cultivo maduro típico posee tres o más niveles de hojas. Si las hojas del cultivo están dispuestas completamente horizontales, la capa superior de hojas interceptara la mayor parte de la radiación. La luz  capturada por el primer nivel de hojas no será aprovechada para fotosíntesis, ya que las hojas superiores estarán por encima del nivel de saturación lumínico. Una mejor disposición del canopeo seria el esquematizado en la figura (Canopeo “B”). Al distribuir la energía lumínica uniformemente entre los distintos niveles de hojas, se logran eficiencias fotosintéticas de más del doble con respecto a la disposición foliar de Canopeo “A”. El mejoramiento tradicional ha optimizado estas variables para lograr mejores rendimientos fotosintéticos. 
Canopeo de plantas hipotéticas antes del programa de mejoramiento tradicional (Canopeo “A”) o luego del programa (Canopeo “B”). Esta ha sido la estrategia aplicada para mejorar el rendimiento de arroz. Variedades originales con hojas de disposición horizontal han sido reemplazadas por variedades nuevas, obtenidas por mejoramiento tradicional, con hojas más verticales y mejores eficiencias fotosintéticas.

Mejoramiento de la fotosíntesis asistida por marcadores moleculares

El mejoramiento tradicional de cultivos se basa en la selección de individuos con la mayor cantidad de caracteres agronómicamente deseables. El éxito de esta estrategia depende del tipo de herencia que tenga el carácter en cuestión. En el caso de la eficiencia fotosintética el mejoramiento tradicional se ve dificultado por lo complejo del proceso, por la cantidad de genes involucrados y por la interacción con el ambiente.
La fotosíntesis es un carácter fisiológico cuantitativo, por lo que el programa de mejoramiento puede resultar sumamente complejo. Los caracteres cuantitativos suelen ser codificados por muchos genes. Una estrategia para resolver las dificultades de este tipo de programas de mejoramiento, consiste en utilizar herramientas biotecnológicas para la selección de los distintos individuos, tales como los marcadores moleculares. La selección asistida por marcadores moleculares es una forma económica y rápida de incorporar rápidamente caracteres valiosos en un germoplasma cualquiera. Esta tecnología se basa en la identificación de secuencias de ADN (marcadores) cercanas al carácter de interés agronómico. 

Fotosíntesis e Ingeniería genética
La biotecnología moderna, mediante técnicas de ingeniería genética, promete ofrecer alternativas para resolver las bajas tasas fotosintéticas de ciertas especies vegetales, debido a baja fijación de CO2.
En los últimos 20 años, se han realizado grandes esfuerzos en aumentar la eficiencia de la actividad carboxilasa de la enzima rubisco para reducir pérdidas en los rendimientos de los cultivos. Una de las principales estrategias consiste en minimizar los niveles de fotorrespiración. 

En general, la rubisco es el factor limitante de la fotosíntesis en plantas. Este efecto se ve exacerbado en plantas tipo C3 en condiciones de alta temperatura y escasez de agua. El objetivo de las diferentes líneas de investigación es aumentar la actividad carboxilasa de la rubisco y/o disminuir su tasa de oxigenación. Actualmente se están desarrollando diferentes estrategias con tal fin como:

• Expresión de genes de rubisco de un organismo en otro:Mediante transformación de cloroplastos de tabaco (ver cuaderno nº 26) se logró reemplazar la rubisco por una variante mas simple, de origen bacteriano (Rhodospirillum rubrum). La transformación fue efectiva y las plantas resultaron viables. 

• Introducción de genes de plantas C4 en plantas C3: Al expresar la enzima PEPCK (Phosphoenolpyruvate carboxykinase) de una planta C4 en cloroplastos de arroz se midió un incremento en la concentración de compuestos de la vía C4, probando que esta estrategia puede aumentar la capacidad fotosintética de plantas C3.

• Expresión de un gen de cianobacterias en plantas superiores: Se obtuvieron mayores tasas fotosintéticas, crecimiento mas rápido y mayor peso final en plantas transgénicas de Nicotiana tabacum  y Arabidopsis thaliana que expresan el gen ictB. El producto de ese gen está implicado en el transporte de CO2 y fue aislado de cianobacterias que requieren altas concentraciones de ese gas  para sobrevivir.

• Aumento en la activación de la rubisco: Por encima de los 30-35 °C,  la asimilación de CO2 en plantas C3 se ve reducida por la menor actividad de la rubisco. El estado activo o inactivo de la rubisco depende de la enzima rubisco activasa, que es inestable a temperaturas moderadamente altas. Se aisló el gen de la rubisco activasa de una planta adaptada al desierto, que presenta su máxima tasa fotosintética  a 48 °C. Ese gen se introdujo en plantas de Arabidopsis thaliana. Bajo condiciones de temperaturas levemente altas, las plantas transgénicas desarrollaron el doble del área foliar con una tasa fotosintética un 30% mayor que las plantas no modificadas genéticamente.

• Inhibición de la fotorrespiración: Se ha logrado minimizar la fotorrespiración en Arabidopsis thaliana  al introducir por técnicas de ingeniería genética una ruta metabólica de E. coli implicada en el catabolismo de uno de los sustratos de la fotorrespiración. 
Tomado de: http://www.porquebiotecnologia.com.ar/index.php?action=cuaderno&opt=5&tipo=1&note=107 con fines de divulgación. Se respetan los derechos de autor.
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Y para estas fechas:

martes, 29 de octubre de 2013

Biotecnología tradicional: La fabricación del vino




Chicos: 

MAñana tenemos nuestra práctica sobre fermentación. Así que un poco de historia sobre que es el vino no esta demás. 

Coloca sólo lo relevante para tí de esta lectura en tu cuaderno.

No se te olvide tu BATA

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 Biotecnología tradicional: La fabricación del vino



La producción de bebidas alcohólicas es, al igual que la fabricación del pan, un proceso que se remonta a las civilizaciones más antiguas. Aun así, el mecanismo en que se basan estos procesos se descubrió mucho más tarde. Hoy se sabe que en estos procesos intervienen microorganismos que transforman componentes del jugo de frutas o de cereales en alcohol, en el proceso de fermentación. Desde entonces, el hombre pudo intervenir y obtener una variedad más amplia de productos.
La mayoría de los jugos de frutas son fermentados por levaduras “silvestres” presentes naturalmente en las frutas, muchas de ellas pertenecientes a la especie Saccharomoyces cerevisiae.  A partir de esas fermentaciones naturales, se han ido seleccionando levaduras para llevar a cabo procesos más controlados, y actualmente la producción del vino y otras bebidas alcohólicas es una industria extensa en todo el mundo.
Las bebidas alcohólicas más importantes son: el vino, producto de la fermentación de jugos frutales, la cerveza, producto de la fermentación de granos malteados, y las bebidas destiladas, productos de la concentración por destilación del alcohol obtenido de una fermentación.

¿Qué es el vino?

El vino es aquella bebida que se obtiene por fermentación alcohólica (por levaduras) de jugos frutales u otras materias con alta cantidad de azúcares, y tiene un contenido de alcohol mínimo del 7% (v/v a 20°C). Prácticamente todo el vino se produce a partir de la uva (cuyo nombre científico es Vitis vinifera). Es por ello que la denominación vino se refiere al producto resultante de la fermentación del jugo de uva.
En los vinos no fortificados, el contenido final de alcohol varía entre el 8 y el 14%. En los vinos fortificados, como el jerez, el contenido de alcohol puede alcanzar el 20%. En estos casos, esa concentración del alcohol se logra con el agregado de bebidas alcohólicas destiladas como el brandy.
La fabricación de vino existe en cada lugar del mundo donde se puedan cultivar vides de manera económicamente favorable. Entre los países con mayor producción de vino se encuentran Italia, Francia, Argentina, España, Portugal y Estados Unidos.

La historia del vino
Los historiadores creen que, probablemente, el vino fue descubierto accidentalmente en el área fértil entre el Nilo y el Golfo Pérsico entre los años 4000 y 3000 a.C. Las culturas antiguas estaban familiarizadas con las uvas, según demuestran dibujos en las paredes de cavernas ancestrales. Los historiadores creen que las uvas fermentaron en una primera etapa por accidente, debido a las levaduras que debían estar presentes en la piel de las uvas almacenadas.
Alrededor del año 3000 a.C., los egipcios y los persas parecían tener métodos sencillos para la fabricación del vino. Los egipcios crecían las uvas en la zona fértil próxima al río Nilo, y preparaban un vino blanco con la variedad de uva que hoy se conoce como uva Muscat de Alejandría.  Estrujaban y fermentaban las uvas en grandes tinas, y atribuían la bebida resultante al Dios Osiris, por lo que era utilizada en los rituales funerarios. En Persia, también creían que el vino era un regalo divino. De todas formas, se cree que los fenicios, maestros de la navegación, fueron el pueblo responsable de esparcir las técnicas para preparar el vino por toda la región Mediterránea y eventualmente Europa, conjuntamente con el conocimiento de la fabricación del vino.
Mientras que el vino era popular en Roma,  estaba prohibido por el Islam, y por ende las áreas bajo control musulmán, como el sur de España, norte de África y norte de India, dejaron de producirlo. En cambio, la fabricación de vino prosperó enormemente con la Iglesia Católica y con ella en la Europa cristiana. Eventualmente, la práctica se extendió a Inglaterra. Los monjes cristianos de Francia y norte de Italia guardaron registros de sus prácticas relacionadas con el cultivo de la vid y la fabricación del vino. Los mismos ayudaron a varias regiones a encontrar las mejores variedades de uva para sus tierras, y gracias a ello, para el año 1800 d.C. Francia sería reconocida como la mejor región productora de vino del mundo.
Pero, no solo en Europa se producía vino. La viticultura chilena comienza en el siglo XVI, la surafricana en el siglo XVII, la estadounidense en el XVIII y la australiana en el siglo XIX. La tradición de los vinos franceses llegó a América junto con los españoles, que transportaban durante la Conquista las especies vegetales más importantes para ellos: la higuera, el olivo y la vid. A la Argentina la vid llegó desde Chile junto a los primeros colonizadores. 


Anforas de arcilla horneadas al sol en Ica, Perú. Fuente:  http://www.lifeinitaly.com/wines/history.asp

En América, antes de la llegada de los españoles, se empleaban estas grandes ánforas de arcilla  para preparar distintas bebidas alcohólicas basadas en maíz, molle, y otros (figura 1). En épocas de la conquista y desde las primeras cosechas de la vid, la extracción de los mostos o jugos de uva se depositaron en ese tipo de vasijas.

Durante la primera mitad del siglo XX, los conflictos políticos y las guerras afectaron la viticultura y la fabricación de vino, incluyendo la adulteración, el fraude y la sobreproducción, problemas controlados parcialmente a partir de 1930. Para la segunda mitad del siglo XX, se observaron grandes avances tecnológicos tanto en el cultivo de la vid como en la fabricación del vino, junto con la globalización de su producción, aumentando la variedad y la calidad de la oferta.

El proceso de la fermentación

Antes de los descubrimientos de Luis Pasteur vinculados con la presencia de microorganismos, se interpretaba la fermentación como un proceso de descomposición espontánea del mosto (producto del prensado de la uva). Hoy se sabe que esta labor de transformar el azúcar del jugo de la uva en alcohol y otras sustancias, la realizan las levaduras, microorganismos formados por una sola célula. Cuando las condiciones en bodega son óptimas las levaduras comienzan a reproducirse, y en ausencia de oxígeno transforman los azúcares por un proceso fermentativo.
La fermentación es el proceso mediante el cual las células obtienen energía de los nutrientes en ausencia de oxígeno, es decir, de manera anaeróbica. Existen diferentes tipos de fermentación, según el organismo que la realiza:

fermentación láctica: la realizan bacterias y se emplean industrialmente durante la fabricación del yogurt, y de otros lácteos. También ocurre la fermentación láctica en las células musculares que deben actuar y no tienen suficiente suministro de oxígeno.

fermentación alcohólica: realizada por células eucariotas y procariotas. En el caso de la fabricación de bebidas alcohólicas, el proceso es realizado por levaduras. En ambientes ricos en azúcares como la mayoría de los jugos de frutas y néctares, las levaduras pueden llevar a cabo también el proceso de respiración celular por el cual obtienen energía en presencia de oxígeno. El cambio de metabolismo aeróbico a anaeróbico es crucial, por lo que se debe tener mucho cuidado, al fabricar bebidas alcohólicas, para asegurar que el aire no ingrese al tanque de fermentación.
El proceso de la fermentación se puede representar mediante la siguiente ecuación: 


Durante la fermentación alcohólica, y como lo indica la ecuación, se libera energía (proceso exotérmico). Por ello es necesario controlar la temperatura en la producción del vino, porque si supera los 25-30º, se inhibe el crecimiento de las levaduras, y por ende la fermentación. Otro de los compuestos obtenidos durante la fermentación es el dióxido de carbono (CO2) que provoca burbujeo y un aroma característico durante la fermentación.

Tipos de levaduras
Hay dos tipos de levaduras que se utilizan en la fabricación del vino:
las levaduras “silvestres”, que están presentes naturalmente en el campo y en la fruta, y que son transferidas al jugo,
la levadura del vino cultivada, de la especie Saccharomyces cerevisiae que es adicionada al jugo de uva para comenzar la fermentación.

Microscopía electrónica de Saccharomyces cerevisiae. Fuente:http://www.torinoscienza.it/

Una diferencia importante entre estos dos tipos de levaduras es su tolerancia al alcohol. La mayoría de las levaduras silvestres puede tolerar un 4% de alcohol, y cuando durante el proceso de fabricación se alcanza esta concentración, la fermentación se detiene. En cambio, las levaduras provenientes de cultivos pueden llegar a tolerar hasta un 14% de alcohol antes de que su crecimiento se detenga completamente. Además de la baja tolerancia al alcohol, las levaduras silvestres no producen algunos de los compuestos aromáticos deseables para el producto final, y por ello la presencia y el crecimiento de las levaduras silvestres durante la fermentación es indeseado.

La fabricación del vino


Todas las operaciones mediante las cuales se transforma la uva en vino se denominan "vinificación". En términos generales, aunque los sistemas difieren de un lugar a otro y según se trate de uvas blancas o tintas, consta de las siguientes etapas:

• Estrujado o prensado: obtención del líquido de la uva, o mosto. Las uvas son prensadas en una máquina, obteniéndose un jugo denominado mosto. Dependiendo de las uvas utilizadas y de cómo se procesa el mosto, se puede obtener vino blanco o tinto.  El vino blanco es aquel producido a partir de uvas blancas, o a partir del jugo de uvas rojas a las cuales se les removió la piel con los pigmentos. En cambio, cuando se produce vino tinto, se deja la pulpa (piel, semillas y restos de tallo) durante la fermentación. Aparte de la diferencia en color, el vino tinto tiene un sabor más intenso y fuerte que el blanco,  debido a la presencia de grandes cantidades de compuestos denominados taninos, extraídos desde la piel hasta el jugo durante la fermentación. El mosto es enviado a tanques donde se produce la fermentación.

Fermentación alcohólica: Durante los primeros estadios, hay presencia de aire en el líquido favoreciendo un rápido crecimiento aeróbico de las levaduras. Una vez que el aire es consumido, comienzan las condiciones anaeróbicas y con ellas la producción de alcohol. La fermentación puede llevarse a cabo en cubas o tanques construidos con roble, cemento, piedra o metal. Un parámetro muy importante durante la fermentación es la temperatura, ya que el calor producido durante la fermentación puede impedir el crecimiento de las levaduras. Por esto, la temperatura debe mantenerse por debajo de los 29ºC, y eso se logra mediante el uso de tanques a través de los cuales se hace circular agua fría.  El fermentador es llenado con mosto hasta completar el 80-90% de su capacidad, dejando un espacio para la espuma que se formará durante la fermentación. En su parte superior se colocan “válvulas de fermentación”  que permiten liberar el dióxido de carbono producido por la fermentación y, a la vez, impedir la entrada de oxígeno y de otros microorganismos. En el caso de un vino tinto, luego de 3-5 días de fermentación, la extracción de taninos y color de la piel y otros restos (pulpa) ya es suficiente, por lo que el vino es trasvasado a otro tanque para seguir fermentando una o dos semanas más. Además del azúcar, otras sustancias presentes en el mosto son transformadas por acción de los microorganismos presente durante el proceso de fermentación. Algunos microorganismos aerobios presentes durante el desarrollo de la uva y en las etapas iniciales de la fermentación, pueden producir compuestos indeseables, como acetaldehído, perjudicando las características finales del producto. Para evitarlo, en muchas bodegas, se suele eliminar las levaduras silvestres presentes en el mosto mediante el agregado de dióxido de sulfuro (en las etiquetas suele denominarse “sulfitos”). La levadura del vino cultivada que se adiciona durante la elaboración del vino es resistente a tales niveles de dióxido de sulfuro.

• Separación del vino, Clarificación, Filtración, Estabilización: el vino es separado del sedimento que contiene levaduras y precipitados orgánicos, para luego ser almacenado a una temperatura menor (tratamiento en bodega) para el proceso de añejado, desarrollo del sabor y mayor clarificación. El agregado de algunos compuestos como caseína o procesos de filtrado a través de tierra de diatomeas y otros, conducen a la clarificación final (otorgándole un aspecto translúcido y brillante).

• Maduración. El envejecimiento del vino en barricas, o maduración, provoca cambios significativos del vino en su desarrollo hacia la madurez. Es importante el tiempo y el tipo de madera de los toneles. El tratamiento en bodega (añejamiento) es un paso muy importante en la elaboración del vino. Puede durar varios años en condiciones de baja temperatura (10-15ºC) en ausencia de oxígeno. Durante el añejamiento, ocurren en el vino cambios químicos complejos, incluyendo la reducción de compuestos amargos, mejorando así el sabor y el aroma, características conocidas como bouquet, además de generarse compuestos que ayudan a su conservación y estabilización.

• Embotellado. Por último, el vino es embotellado para mayor añejamiento o para su venta. El vino tinto es usualmente añejado por varios años luego del embotellamiento, a diferencia del vino blanco que usualmente es vendido sin realizar dicho proceso.  



Fermentadores y Toneles. A la izquierda se observan los tanques de fermentación, construidos en metal en este caso. A la derecha, se observan las barricas o toneles construidos en madera (roble, etc.) para la etapa de tratamiento en bodega (añejamiento). Tomado de http://www.familiabarberis.com/

Diferentes clases de vino

Existen muchas clases de vinos, que varían en su calidad y características:
Vinos secos: en los cuales la fermentación de los azúcares es casi completa
Vinos dulces: se obtienen debido a que parte del azúcar permanece sin fermentar, o se agrega exógenamente. 

Vinos fortificados: se les agrega una cantidad extra de alcohol, que puede provenir de un brandy u otra bebida alcohólica luego de la fermentación, alcanzando un porcentaje de alcohol del 14 al 23%.  El jerez es el más conocido y más popular de los vinos fortificados. El Vermouth es un vino aromático al cuál se le han adicionado determinadas hierbas. Los aperitivos, bebidas que se toman antes de las comidas, se incluyen dentro de los vinos aromáticos. 
Vinos espumantes: son aquellos que contienen una cantidad considerable de dióxido de carbono, debido a una fermentación final por levaduras en la botella. Un ejemplo es el champagne. 





Producción de vinos espumantes

La elaboración del champán o vinos espumantes comienza con una fermentación similar a la del vino, pero se utiliza como mosto el primer producto de aspecto claro obtenido luego del estrujado. El mismo es pobre en nitrógeno, taninos y fosfatos, dificultando el crecimiento de bacterias y permitiendo el de levaduras. La fermentación continúa hasta alcanzar un porcentaje de alcohol entre el 9 y 11%, allí se interrumpe por agregado de sulfitos, y se vuelve a filtrar. A continuación se agrega entre un 2-5% de azúcar en forma de jugo de uva concentrado y, por el adicionado de levaduras especiales para champán, se lleva a cabo una nueva fermentación en botellas de vidrio con paredes gruesas cerradas, o en tanques metálicos resistentes a la presión. Estas nuevas levaduras pueden fermentar incluso a altas concentraciones de alcohol y dióxido de carbono disuelto.
El champán de consumo corriente se fermenta en tanques cerrados a presión, cuya temperatura se ajusta mediante refrigerantes. Es posible lograr una fermentación a gran escala si se controlan temperatura y presión. El proceso culmina con un enfriamiento a -5ºC, se añaden diferentes de licor (“dosificación”), se filtra bajo presión de dióxido de carbono y se embotella automáticamente.
El champán de calidad se fermenta en botellas, a pesar que el procedimiento es más laborioso porque requiere llenar las botellas con el vino filtrado, azucarado e inoculado, dejándolas fermentar y manipulándolas individualmente. La fermentación ocurre a temperaturas bajas, alrededor de 10ºC, para evitar que la presión sea demasiado elevada y haga estallar las botellas; y dura aproximadamente 2 semanas. Luego se giran las botellas para lograr que las levaduras se depositen en el corcho, para posteriormente sumergir el cuello de las botellas en un baño frío favoreciendo la formación de una capa de hielo sobre el corcho que engloba las levaduras. Finalmente el corcho se elimina junto con las levaduras, se añaden cantidades diferentes de licor (en función del sabor que se quiera conseguir), proceso denominado “dosificación” con un contenido de azúcar del 1-5% y se vuelve a colocar un nuevo corcho. 








miércoles, 23 de octubre de 2013

Cempasúchil. Fuente importante de carotenoides

I.- Cempasúchil. Fuente importante de carotenoides Chi M B, P P Flores, M R Rivera (2002). Cempasúchil. Fuente importante de carotenoides. Ciencia y Desarrollo. 165:20-24



II Y una interesante lectura sobre simbiogénesis, en la que un molusco (animal)  ¡es capaz de realizar fotosíntesis !

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Evolución en acción. El caso de las babosas fotosintéticas
Andrés Romanowski



INTRODUCCIÓN

Simbiosis es un término generalmente aplicado a la cohabitación de dos organismos, mientras que la endosimbiosis se refiere al hecho de que un organismo viva dentro de otro y pueda ser tanto intra como extracelular.

La simbiosis se refiere a asociaciones fisiológicas, temporales o topológicas con destinos ambientales determinados. La simbiogénesis es, por otro lado, un tipo de innovación evolutiva que describe la aparición de un nuevo tejido, órgano, fisiología u otra característica nueva derivada de la asociación simbiótica.
De hecho, las células de todos los grandes organismos son producto de la simbiogénesis.


Al comienzo de toda asociación simbiótica, el organismo de vida libre está contenido por una membrana propia y contiene su propio ADN, ARN, etc. Por ejemplo, los organismos de vida libre (bacterias púrpuras y cianobacterias) que pasaron a formar organelos (mitocondrias y cloroplastos) deben entonces haber empezado su historia de esta manera. Una adquisición de este tipo contrasta fuertemente con las asociaciones cíclicas, que requieren que cada generación vuelva a adquirir simbiontes. En tanto, en el caso de las mitocondrias y los cloroplastos, las organelos pierden su habilidad de vivir fuera de las células, las cuales se vuelven igualmente dependientes de las funciones de aquellas.


Las dos grandes clases de organelos eucariotas: cloroplastos (fotosíntesis) y mitocondrias (respiración aeróbica) comenzaron como eubacterias. Este hecho, ahora indiscutible, ha sido verificado por secuencias de proteínas y ácidos nucleicos y los tipos de eubacterias involucrados han sido identificados. En el caso de la mitocondria, el ancestro correspondía al grupo á de proteobacterias y, en el caso de los cloroplastos, se trató de algunos tipos de cianobacterias, como Synechococcus. Casi todos los eucariotas poseen una o ambas clases de organelos, que son vestigios de antiguas simbiosis permanentes.

En las asociaciones cíclicas, cada miembro atraviesa distintas etapas: reconocimiento de la pareja simbiótica, asociación física, fusión física y mantenimiento precario del estado integrado. La naturaleza transitoria del estado integrado hace que este tipo de asociaciones sean extremadamente sensibles a las condiciones ambientales. Es por ello que los cambios en el medio ambiente pueden provocar la disociación de la simbiosis. En tal caso, los miembros de la simbiosis continúan su ciclo de vida en forma libre. Sin embargo, en etapas posteriores, los individuos pueden volver a integrar una nueva asociación.

Existen muchos ejemplos para este tipo de asociaciones, que fueron descriptas en su mayor parte en estudios botánicos. Las otras asociaciones cíclicas bien conocidas son aquellas que suceden entre animales marinos y su contraparte fotosintética (Tabla 1).

Existe un tipo de asociación muy interesante, el cual entra dentro de los límites de la definición de simbiosis cíclica. Este se da entre babosas marinas del género Elysia y los cloroplastos de algas del género Vaucheria. En este caso, y de ahí lo llamativo, la asociación es entre un organismo eucariota multicelular del reino animal y una organelo de un organismo multicelular de otro reino.

EL GÉNERO ELYSIA

Muchas de las simbiosis que ocurren entre animales y algas son asociaciones en las cuales el alga reside fuera de las células del animal o dentro de una vacuola. Este no es el caso para algunas babosas de mar del género Elysia, las cuales establecen una relación “simbiótica” intracelular con cloroplastos que extraen de las células de las especies de algas que ingieren y, sorprendentemente, pueden realizar fotosíntesis.

Las babosas juveniles se alimentan particularmente de los filamentos de algas sifonáceas y cromofíticas e incorporan fagocíticamente los cloroplastos intactos en el citoplasma de células epiteliales especializadas que tapizan los túbulos del sistema digestivo.


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Durante este proceso, el retículo endoplásmico del cloroplasto (una característica de los cloroplastos cromofíticos) desaparece, dejando plástidos con su membrana externa en contacto directo con el citoplasma animal. Estos plástidos continúan funcionales desde días hasta meses, según la especie de babosa.

La asociación más duradera se da en Elysia chlorotica, que obtiene sus cloroplastos del alga cromofítica Vaucheria litorea, y puede llegar a durar hasta nueve meses. Si tomamos en cuenta que estas babosas viven entre ocho y diez meses, ya sea en condiciones naturales o artificiales, esto resulta sorprendente. Y no sólo son capaces de mantener los cloroplastos, sino que también pueden realizar fotosíntesis. Además, se ha demostrado que estas babosas son capaces de subsistir en condiciones de laboratorio sin comida si tan sólo se les provee una fuente de luz y de CO2, e incluso aumentar su masa, del mismo modo que lo hacen los vegetales y las algas.

Se ha descrito que esta particular simbiosis no es heredable y debe ser reestablecida con cada generación de babosas de mar. Es decir, los plástidos no se transmiten a los huevos.