Evaluación

Chicos:

Tenemos una evaluación global sobre el curso. Revisa tu cuaderno y recapitula en tu mente que tanto sabes ahora sobre esos temas. Haz una reflexión personal y escribe sobre la importancia de saber todos esos temas y cómo es que son parte de tí ahora. Que más haz aprendido en el curso. escribelo en el cuaderno y traela a clase mañana. debes algún trabajo? todavía es tiempo para desarrollarlo.

Tenemos dos videos que nos explican con detalle el ciclo del HIV ahora que se celebra un  día en su lucha.

Escribe en tu cuaderno el porque se ha hecho tan dificil una cura para este virus.

martes 2 de diciembre a las 8:00 am

Cambios génicos como fuente de variación

Chicos:

Seguimos estudiando las fuentes de variación. Esta lectura nos indica cómo es que los cambios en el ADN, pueden hacer la diferencia para las proteínas que codifican.


Mañana realizaremos actividades con esta lectura y la del martes pasado.

Lindo día y nos vemos en clase. =)

Cambios génicos como fuente de variación. 

Su resumen en el cuaderno.

De la clase anterior tenemos este video sobre la anemia falciforme.


Y para entender el articulo del día de hoy, un video sobre la hibridación de ácidos nucleicos.

Ambos videos tienen información que complementa sus lecturas.

Genes y variación (2014)

Chicos después de este super descanso es hora de retomar el curso:

I se encuentra un video que refuerza la última clase y que nos indica cómo es que se lleva acabo el flujo génico. [ El titulo no corresponde, ya que indica que es del proyecto del genoma humano y en realidad muestra la síntesis de proteínas =( ]. Obsérvalo con cuidado y velo las veces que sea necesario para entender los eventos involucrados.

II Tenemos una lectura que nos indica cuales son los fundamentos de la variación. Los ejemplos y ejercicios son muy bonitos. Esta parte para algunos es como un repaso. De no ser así pon mucha atención a la información y trae tus dudas a clase.

Enlace original a genes y variación

III se encuentran los enlaces a las diferentes etapas del ciclo del VIH y cómo es que se puede tener un tratamiento con tres fármacos para evitar su propagación. Sí el enlace está en inglés, pero la información es valiosa y el inglés técnico es realmente sencillo.

Ciclo del VIH: (el enlace es el numero en azul o la dirección completa a la derecha)

0 http://www.cellsalive.com/hiv0.htm
1 http://www.cellsalive.com/hiv1.htm
2 http://www.cellsalive.com/hiv2.htm
3 http://www.cellsalive.com/hiv3.htm
4 http://www.cellsalive.com/hiv4.htm
5 http://www.cellsalive.com/hiv5.htm

Nos vemos mañana en clase.

Naturaleza de la diversidad genética

Chicos:

Tenemos dos lecturas que son la ampliación de conceptos que se vieron en BIología I y II.

Es como un repaso, para ubicar los origenes de la diversidad genética. Pueden hacer su resumen en procesador de textos si les es más facil. Anota tus dudas y crea un glosario con los conceptos nuevos para tí.

Les dejo el enlace original que es del CCH Sur.

Naturaleza de la diversidad genética

Cambios génicos como fuente de variación

Y en nuestra nota de éxito:

Mexicano gana premio por reconstruir la primera computadora del mundo 

Ya lo conocemos. Es investigador en la   Facultad de Matemáticas e Informática de la Universidad Libre de Berlín y quien elaboró el primer automóvil que se conduce sólo =)

Elysia chlorotica, molusco fotosíntetico

Chicos:


Lunes de cinito.

Tenemos algunos videos con información muy relevane sobre fotosíntesis. Elabora un guión con el curso de la información y escribelo ya sea en procesador de textos o a mano en tu cuaderno (tiene nueva información sobre plantas C4 y CAM). Escoge un video y compartelo con tu familia. Resalta la importncia de la fotosítesis y escribe en tu cuaderno las impresiones de tu familiar. Papá, mamá, tía o sobrinos, ( no cuenta la mascota de la familia =( )

 Y ya esta aquí la lectura sobre el molusco marino que incorpora elementos fotosínteticos. Te imagina el futuro? Todos verdes y sin hambre. Esa si será una verdadera revolución !! [resumen y resolución de dudas en el cuaderno].

• Como reflexión general: Que opinas tú de esta situación que esta viviendo el país? Comparte algún editorial o comentario de redes que quieras expresar.

Evolución en acción. El caso de las babosas fotosintéticas

Andrés Romanowski

Tomado de: http://unq.publicadigital.com.ar/advf/documentos/4fe9cb61643b4.pdf#page=52 con fines de divulgación

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.

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.

Videos:
1

Lo único malo es de este video es que menciona fase obscura y fase luminosa =(. 
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5.Sí. esta en inglés, pero la información y las imagenes son muy valiosas.

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Sólo por curiosidad, ¿Otros organismos? Y la divulgación científica. Hay que ser un Sr. grande y aburrido?

Cempasúchil. Fuente importante de carotenoides

Chicos:

Excelente sus tareas, las estoy revisando y retroalimentando. =)

Para mañana tenemos una lectura una sobre la flor de muertos, que queda muy bien por el tema de pigmentos fotosínteticos y las fechas del 1o y 2 de noviembre. En esta ocasión el resumen en el cuaderno, le puedes agregar las figuras e ilustraciones que lo complementen, busca esas mismas figuras en internet para que te quede muy bien.

Nos vemos mañana.

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.- Quieres saber como la industria alimentaria explota los colores en su beneficio? Con esta presentación te darás una idea.

III.- Otros usos del Cempasúchil

Tus comentarios y reflexión en el cuaderno. =)

Sólo por curiosidad: chinitos que venden luteina

Actividades

Chicos:

Por causas de fuerza mayor, no tendremos clase este martes y jueves. Así que se pueden dormir dos horas más.

Tenemos actividades que se entregarán vía correo o Google docs, para el martes y a más tardar el jueves

1. Ya esta la presentación de Fotosíntesis en formato Prezi que estamos estudiando, descarguen y véanla por completo. Si tienen algún problema apoyense entre ustedes para checar las soluciones. Son tres post nuevos.
2. He colocado una lectura sobre la Coenzima Q. realicen su resumen y lo envían por correo con el siguiente título: nombre_apellido_CoenzimaQ.docx  . Busquen la respuesta a la pregunta: Para que realmente es eficaz la Coenzima Q. Es realmente un ejercicio de comprensión de lectura y de entender la pregunta y encontrar su respuesta.
3. Realicen la búsqueda de un producto que contenga dicha sustancia, mencionen que promueve y coloquen su opinión sobre si creen que será eficaz para dicha situación. Coloquen una foto del producto. Enlace al archivo colaborativo.
4. Cómo funciona un veneno? Es momento de poder responder esta pregunta a un nivel de proteínas mitocondriales. Para eso tenemos nuestra lectura: Inhibidores de la cadena de transporte de electrones.Envia tu resumen por correo con el siguiente nombre nombre_apellido_inhibidor.docx y aporta un comentario en este foro
5. Para el futuro, lee el articulo sobre celdas que generan energía y participa en el siguiente foro con tu comentario:

Plazo para esta actividad termina el jueves  a las 13:00 horas

Coenzima Q ¿Eficaz? (2014)

Actualmente encontramos un uso indiscriminado de la Coenzima Q. (ubicala dentro de tu esquema mitocondrial), la cual forma parte de la cadena de transporte de electrones.


Coenzima Q: Recibe el nombre de ubiquinona, Es el único aceptor de la cadena que no está unido a proteínas. Se aloja en la zona apolar de la bicapa lipídica de la membrana interna dentro de la cual se desplaza. Esto se debe a su naturaleza hidrófoba. Actúa como un portador móvil de electrones.

A partir de la siguiente información:

http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/druginfo/natural/938.html

I Indica para que sí es eficaz la Coenzima Q. Realiza una búsqueda en Internet de algún producto comercial que la contenga así como su posible "acción" benéfica. Comenta si realmente puede tener la acción que menciona la publicidad. Esto en el foro que se te indica

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Inhibidores de la Cadena de Transporte de Electrones

Los inhibidores de la Cadena de Transporte de Electrones (CTE) son substancias que se enlazan a alguno de los componentes de la cadena de transporte de electrones bloqueando su capacidad para cambiar de una forma reversible desde la forma oxidada a la forma reducida y viceversa.

Esta inhibición resulta en una acumulación de los componentes en sus formas reducidas antes del punto de inhibición, y la presencia de las formas oxidadas de los componentes de la CTE después del punto de inhibición.

Debido a que en presencia de estos inhibidores no se libera energia, la sintesis de ATP tambien se detiene. Los mas importantes inhibidores conocidos de la cadena de transporte de electrones son el Amital, la Rotenona, el Antimycin A, el Monoxido de Carbono (CO), la Azida sodica y los Cianuros.

Amital, un barbiturato, y la Rotenona, un producto vegetal obtenido de las plantas que se usa como insecticida y  pesticida, bloquean la cadena de transporte electronico entre la NADH deshidrogenasa (Complejo I) y la CoQ.

Como consecuencia, ellos impiden la utilizacion del NADH como donante de equivalentes de reduccion a la cadena respiratoria. Sin embargo, el flujo de electrones que resulta de la reduccion-oxidacion del Complex II no es afectada, ya que los electrones entran en un punto posterior al bloqueo, a traves de la Coenzima Q.

El efecto del Amital ha sido observado in vitro, ya que la intoxicacion con amital y otros barbituratos afecta principalmente al Sistema Nervioso Central al actuar sobre los canales de iones sensibles al GABA, un efecto no relacionado con la accion del amital sobre el Complejo I.

Las intoxicaciones por Rotenona son muy raras. De hecho, algunas tribus humanas solian pescar echando en el agua extractos de raices conteniendo Rotenona, la cual es facilmente absorbible por los peces a traves de las branquias. La rotenona afectaba la cadena respiratoria de los peces y estos morian y flotaban en la superficie. Estos peces eran consumidos posteriormente sin afectar a los seres humanos, ya que los residuos de rotenona en los peces eran absorbidos con dificultad por el tracto gastrointestinal. En aquellos casos en que la rotenona se ha ingerido en forma concentrada,  generalmente irrita severamente las mucosas provocando vomitos. Sin embargo, sus efectos toxicos no deben ser menospreciados.

Es interesante notar que la Rotenona y el MPTP (una neurotoxina), que tambien afecta al Complejo Respiratorio I, cuando se administran de forma intravenosa, causan sintomas y signos muy parecidos a la enfermedad de Parkinson. Estas substancias afectan primariamente a las neuronas de la substancia nigra. Aparentemente la secuencia de eventos es: afectacion del Complejo I, afectacion del metabolismo mitocondrial, acumulacion de radicales libres, muerte celular, liberacion de substancias toxicas y destruccion de otras celulas.

Antimycin A es un antibiotico producido por Streptomyces griseous que ha sido usado como veneno para controlar alguna especies de peces. Antymicin A interfiere con el flujo de electrones desde el citocromo bH en el Complex III (Q-cytochrome c oxidoreductasa).  En presencia de esta substancia, el citocromo bH puede ser reducido pero no oxidado, y consecuentemente, el citocromo c permanece oxidado, al igual que los citocromos a y a3 del Complejo IV.

El monoxido de carbono (CO) es responsable a nivel mundial por mas del 50 % de las muertes por envenenamiento. Es incoloro e inodoro; puede formarse en grandes cantidades como resultado de la ccombustiónincompleta de combustibles: los tubos de escape de maquinarias , hornos, estufas, son fuentes importantes. El cigarro aumenta los niveles de carboxihemoglobina del fumador.  

La intoxicacion por monoxido de carbono causa trastornos en la entrega de oxygeno a los tejidos y en su utilizacion celular. La afinidad de la Hemoglobina por el monoxido de carbono es casi 300 superior a la que tiene por el oxigeno. Un ambiente en el cual hay apenas 100 ppm (partes po millón)d e CO es suficiente para que la formacion de Hemoglobina llegue a 16 %.  La situacion empeora ademas ya que la union de CO a uno de los grupos Hem de la Hemoglobina aumenta la afinidad por el oxigeno de los otros tres grupos Hem de la molecula, por lo cual la entrega o liberacion del oxigeno a los tejidos esta muy afectada. Debido a su alto consumo de oxigeno, el cerebro y el corazon son los organos mas afectados. La mioglobina tiene mas afinidad aun por el CO que la Hemoglobina, por lo que el musculo cardiaco esta severamente afectado y el paciente presenta una marcada hipotension. Como ya fue descrito anteriormente, la intoxicacion por CO es una importante causa de muerte en todo el mundo.

Se ha observado que el estatus clinico de los pacientes no se correlaciona bien con los niveles de carboxihemoglobina, por lo que se considera que aunque la afinidad de los componentes de la cadena respiratoria por el CO es menor que por el oxigeno, la inhibicion de la citocromo oxidasa  por el CO juega tambien un papel en la intoxicacion por monoxido de carbono.  El CO se une a la forma reducida del hierro (Fe ++) de los grupos Hem de la Citocromo Oxidasa.

De una forma opuesta, en el envenamiento por Cianuro la inhibicion de la cadena respiratoria si desempenha un rol primario. La intoxicacion por cianuro es frecuente en pacientes que inhalan humo de fuegos industriales o residenciales. Tambien se ve este tipo de intoxicacion en personas relacionadas profesionalmente con el cianuro o sus derivados en ciertas industrias. El envenenamiento intencional con cianuro puede verse en personas con acceso a estos compuestos. El cianuro afecta a practicamente todas las metaloenzimas,  pero sus principales efectos toxicos derivan de su union al Fe+++ en los grupos Hem de la citocromo oxidasa, inhibiendo el funcionamiento de la Cadena de Transporte de Electrones.

Las Azidas afectan a la cadena respiratoria de una forma muy similar al cianuro, inhibiendo a los grupos Hem de los citocromos en la Citocromo Oxidasa   (Complex IV). Las azidas son usadas en los “airbags”, en la produccion de detonantes (explosivos) y como preservativo del suero y de algunos reactivos quimicos y biologicos. Se han reportado casos de intoxicacion por azida en humanos. 

Como resultado de la accion de cualquiera de estos inhibidores, se detienen las reacciones redox de la cadena respiratoria, no se libera energia, las bombas de protones no funcionan, por lo que no hay protones que regresen a traves del complejo V, y la produccion de ATP cesa.

tomado de: 

http://temasdebioquimica.wordpress.com/2008/11/23/inhibidores-de-la-cadena-de-transporte-de-electrones/

Fabrican una hoja artificial que produce energía emulando la fotosíntesis

CIENTÍFICOS DEL MIT DESARROLLAN UN DISPOSITIVO AUTÓNOMO Y BARATO, QUE PODRÍA SUMINISTRAR ELECTRICIDAD A ZONAS REMOTAS O EMPOBRECIDAS.

De nuevo la tecnología observa a la naturaleza y aprende de ella, para generar dispositivos con propiedades sorprendentes. 
En este caso, y según publica la American Chemical Society en un comunicado, lo que se ha fabricado es un aparato que imita la fotosíntesis, es decir, el proceso que realizan las hojas de los vegetales para convertir el agua y la luz del sol en energía. 



El secreto custodiado por las plantas 

Daniel G. Nocera explica que el concepto de hoja artificial responde a la visión de un famoso químico italiano que, en el año 1912, predijo que, algún día, los científicos descubrirían el “secreto custodiado por las plantas”. 

Según Nocero, el elemento más esencial de dicho “secreto” es el mecanismo por el que las plantas dividen el agua en oxígeno y en hidrógeno. 
La hoja artificial cuenta con un colector de luz solar situado entre dos películas que generan oxígeno y gashidrógeno. 

Cuando la hoja es introducida en una jarra de agua situada bajo el sol, produce burbujas, desprendiendo hidrógeno. 
Este gas puede usarse, a su vez, en células de combustible (dispositivos electroquímicos de conversión de energía, similares a las baterías) para generar electricidad. 

Dado que estas “hojas” constituyen unidades autónomas (no precisan de cables), podrían resultar muy útiles para generar combustible para la producción de electricidad en zonas remotas y en países en vías de desarrollo.

Otra de las ventajas de la hoja artificial desarrollada por Nocera es su coste de fabricación. Hasta ahora, dispositivos similares habían sido fabricados, pero con componentes muy caros. 

La nueva hoja artificial, por el contrario, fue desarrollada con materiales baratos, y precisa de procesos de fabricación y de diseño de bajo coste. 
Anteriormente, en dispositivos similares se habían utilizado por ejemplo catalizadores de platino, un metal precioso que se utiliza en joyería. 

En el caso de la hoja artificial de Nocera, se ha sustituido el platino por un compuesto de níquel, molibdeno y zinc, mucho más barato. En la otra cara de la hoja, una película de cobalto es lo que genera el oxígeno. 

Según explica el investigador, considerando la inmensa demanda energética y su incremento incesante por el crecimiento de la población mundial, las investigaciones destinadas a descubrir cómo suministrar energía solar a los más necesitados –como la hoja artificial- “supone para la sociedad global el camino más directo hacia un futuro energético sostenible”. 

Nocera y sus colaboradores han detallado los aspectos de esta hoja artificial en la revista especializada Accounts of Chemical Research (ACS).

Daniel G. Nocera. Fuente: MIT.

Otras hojas 

El del científicos del MIT no es el primer intento por imitar la capacidad de producción energética de las plantas. 

De hecho, en el año 2010, un equipo de científicos de la North Carolina State University de Estados Unidos hizo pública la creación de un dispositivo similar al desarrollado por Nocera. 

En aquel caso, se trataba de unas células solares que imitaban a la naturaleza, unas hojas artificiales que contenían clorofila y que producían electricidad, ideadas para sustituir a las células solares tradicionales, fabricadas con silicio. 

Aquellas “hojas” fueron construidas con un gel acuoso al que se incorporaron moléculas fotosensibles combinadas con electrodos revestidos de nanotubos de carbono o de grafito. 

Dichas moléculas se excitaban al contacto con los rayos solares, produciendo electricidad, del mismo modo que lo hacen las moléculas de las plantas, que se excitan con el sol para sintetizar los azúcares que les permiten crecer.

http://www.tendencias21.net/Fabrican-una-hoja-artificial-que-produce-energia-emulando-la-fotosintesis_a11571.html Autora: Yaiza Martínez. Se publica sólo con fines de divulgación. Se respetan los derechos de autor.


Y en un futuro no muy lejano . . . 

Carro fotosintetico:

 Carrito fotosintético:

Bici fotosintética:

Lámpara que utiliza fotosíntesis

Presentación Fotosíntesis ( Prezi)

Chicos

Aquí esta la presentación que estamos viendo.

Descargan el archivo

https://www.dropbox.com/s/okm1wwblkvcmwfe/copy-of-la-fotosintesis-i6s5lfeh4jv-.zip?dl=0

Fotosíntesis y Biotecnología

• Chicos:
• Como coloque el material tarde, el resumen puede ser en electrónico. (Copiar y pegar). y despues lo pegan en su cuaderno para que no se pierda la lectura.
• Sin embargo lean la información y traigan sus dudas. Incluyan los esquemas para una mejor comprensión del tema. (incluyendo el que esta aquí arriba).
• Ya coloque los videos de formación de ATP y otra animación que nos ayuda a entender la fosforilación oxidativa.
• Ya coloque la historía de éxito del  auto robot alemán, diseñado por un mexicano al final de este post =) 
• 
  
• 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:

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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. 

Ampliar Imagen 

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).

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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

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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

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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. 

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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  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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Un auto robot alemán, diseñado por un mexicano, pasa una prueba con éxito

Otra historia de éxito =)

El auto robot fue diseñado por un equipo fundado por el mexicano Raúl Rojas en la Universidad Libre de Berlín (Autonomos Labs).