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12: Fotosíntesis y pigmentos vegetales - Biología

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Objetivos de aprendizaje

Objetivos de contenido

  • Comprender que los colores que vemos están determinados por la luz reflejada y relacionar esto con el espectro de absorción de los pigmentos.
  • Vea cómo la fotosíntesis convierte la energía electromagnética en energía química
  • Conocer las etapas en las que se producen o utilizan productos y reactivos de la fotosíntesis, respectivamente.
  • Relacionar el proceso de fotosíntesis con la estructura de una hoja.

Objetivos de habilidad

  • Utilice cromatografía en capa fina (TLC) para determinar qué pigmentos están presentes en los tejidos vegetales.
  • Determine los valores de Rf de los pigmentos en una tira de TLC
  • Determine la polaridad relativa de un pigmento en función de la polaridad del solvente TLC
  • Identificar estructuras anatómicas en hojas involucradas en la fotosíntesis y explicar su función en este proceso.

Biosíntesis de pigmentos vegetales: antocianinas, betalaínas y carotenoides

Los compuestos vegetales que los seres humanos perciben como que tienen color se denominan generalmente "pigmentos". Sus variadas estructuras y colores han fascinado durante mucho tiempo a los químicos y biólogos, que han examinado sus propiedades químicas y físicas, su modo de síntesis y sus funciones fisiológicas y ecológicas. Los pigmentos vegetales también tienen una larga historia de uso por parte de los seres humanos. Las principales clases de pigmentos vegetales, con la excepción de las clorofilas, se revisan aquí. Las antocianinas, una clase de flavonoides derivados en última instancia de la fenilalanina, son solubles en agua, se sintetizan en el citosol y se localizan en las vacuolas. Proporcionan una amplia gama de colores que van desde el naranja / rojo hasta el violeta / azul. Además de varias modificaciones en sus estructuras, su color específico también depende de los co-pigmentos, iones metálicos y pH. Están ampliamente distribuidos en el reino vegetal. Los carotenoides solubles en lípidos, de color amarillo a rojo, una subclase de terpenoides, también se distribuyen de forma ubicua en las plantas. Se sintetizan en cloroplastos y son esenciales para la integridad del aparato fotosintético. Las betalaínas, que también confieren colores de amarillo a rojo, son compuestos solubles en agua que contienen nitrógeno derivados de la tirosina que se encuentran solo en un número limitado de linajes de plantas. A diferencia de las antocianinas y los carotenoides, la vía biosintética de las betalaínas se comprende sólo parcialmente. Las tres clases de pigmentos actúan como señales visibles para atraer insectos, pájaros y animales para la polinización y la dispersión de semillas. También protegen a las plantas de los daños causados ​​por los rayos UV y la luz visible.


12: Fotosíntesis y pigmentos vegetales - Biología

Este nuevo recurso respalda el uso de prácticas en varias especificaciones biológicas nuevas de nivel A de 2015 (OCR, AQA, Edexcel y Eduqas).

Los estudiantes realizan cromatografía de capa fina (TLC) individualmente o en parejas para separar e identificar los pigmentos fotosintéticos del material vegetal en media hora. Este sencillo método ha sido diseñado para producir una buena separación de pigmentos fotosintéticos utilizando solventes que son adecuados para su uso en un laboratorio de biología escolar. Al usar césped del césped de la escuela o del campo de juego, los estudiantes pueden ver la variedad de moléculas diferentes que se pueden separar de una planta con la que todos están muy familiarizados.

Estos recursos y esta práctica permiten a los estudiantes desarrollar su comprensión de los pigmentos fotosintéticos y cómo la cromatografía separa las moléculas. Al tomar medidas de distancia simples del cromatograma para calcular los valores de Rf, esta práctica brinda una buena oportunidad para introducir el concepto de error porcentual. Brinda a los estudiantes la oportunidad de desarrollar (y demostrar) sus habilidades para tomar medidas cuantitativas, así como su capacidad para considerar variables que necesitan ser controladas.

A través de las preguntas sugeridas en los materiales de apoyo al profesor (o en la hoja de trabajo del alumno) se puede animar a los alumnos a explorar las propiedades moleculares de los pigmentos y cómo esto se relaciona con su separación por cromatografía. Los estudiantes también podrían explorar la presencia de pigmentos en diferentes materiales vegetales (o animales), ya sea diseñando sus propios experimentos o mediante la investigación en línea.

  • Materiales probados para respaldar el respaldo práctico de nivel A (CPAC)
  • Materiales de apoyo para profesores y técnicos
  • Hoja de trabajo del estudiante para ayudar a proporcionar evidencia para cumplir con los requisitos de habilidades prácticas
  • Materiales de revisión para los estudiantes para ayudar a prepararse para los exámenes.

Los materiales de apoyo para otras prácticas clave en las especificaciones de nivel A se pueden encontrar en la página principal de prácticas del conjunto de nivel A.


Pigmentos de antena fotosintética (con diagrama)

En este artículo discutiremos sobre los pigmentos de antena fotosintética. Después de leer este artículo, aprenderá sobre: ​​1. Composición de los pigmentos de la antena fotosintética 2. Papel de la antena en la fotosíntesis.

Composición de los pigmentos de la antena fotosintética:

Todos los pigmentos funcionales en las membranas fotosintéticas están unidos en una variedad de complejos pigmento-proteína. En general, los pigmentos fotosintéticos y los complejos pigmento-proteína tienen dos funciones principales. Funcionan como antenas o como centro de reacción. Las antenas de las plantas consisten en un gran número de moléculas de pigmento unidas a proteínas que absorben fotones y transfieren su energía al centro de reacción.

Estos complejos captadores de luz están formados por polipéptidos, que se unen a clorofila a, clorofila b, caroteno y xantofila & # 8217s.

Cuando los pigmentos están muy cerca unos de otros, es posible que la energía cuántica de un fotón irradiado se transfiera de un pigmento al siguiente. Un cuanto de energía luminosa se llama fotón, mientras que un cuanto de energía de excitación transferido de una molécula a la siguiente se denomina excitón.

Las antenas de las plantas constan de una parte interior y otra exterior. La parte exterior o periférica que está formada por el complejo captador de luz (LHC) recoge la luz. La parte interna de la antena, que consiste en el complejo del núcleo, es generalmente un componente integral del centro de reacción y transfiere los excitones recolectados en la parte externa de la antena a los centros de reacción fotosintéticos.

El mecanismo por el cual se transporta la energía de excitación desde la clorofila que capta la luz al centro de reacción es la transferencia de resonancia. Este proceso también se conoce como transferencia de Forster, por el nombre del científico que describió por primera vez el fenómeno.

En este proceso de transferencia de energía de resonancia en complejos de antenas, los fotones no son simplemente emitidos por una molécula y absorbidos por otra, al contrario, es un proceso no radiactivo mediante el cual la energía de excitación se transfiere de una molécula a otra.

Existe una gran diversidad en los pigmentos de la antena, particularmente entre las algas. Por el contrario, existe evidencia de que los complejos de centros de reacción de PSI y PSII están muy conservados en naturaleza, composición y función entre todos los organismos fotosintéticos oxigenados. En plantas superiores y algas, PSI y PSII tienen sistemas de antenas únicos que difieren tanto en la composición de pigmentos como de proteínas.

Las antenas de ambos fotosistemas se pueden dividir en dos grupos:

El núcleo y los complejos de antena periférica. En PSI, la antena central consta de aproximadamente 100-120 moléculas de Chl a y 15 de β-caroteno unidas en el mismo complejo que contiene el centro de reacción P700.

La antena del núcleo de PSII está compuesta por dos complejos de pigmento-proteína, CP 43 y CP 47, que están separados del complejo del centro de reacción de PSII. Cada uno se une a 20-25 Chl a y varias moléculas de β-caroteno. Los componentes de pigmento y proteína de la antena central son uniformes entre los organismos fotosintéticos.

Existe diversidad en los complejos de antenas periféricas exteriores. Existe evidencia de que el tamaño y la composición de la antena periférica se pueden ajustar en respuesta a las condiciones ambientales. En las plantas superiores y las algas verdes, las antenas periféricas externas de PSI y PSII están compuestas de dos clases de proteínas de unión a Chl a / b, que son complejos de captación de luz denominados LHCI y LHCII, respectivamente, que recogen la luz.

Las propiedades únicas de las proteínas de antena periférica individuales pueden conducir a funciones heterogéneas, especialmente en PSII. Se ha demostrado que las antenas del centro de reacción de PSII contienen cuatro complejos de captación de luz, a saber, LHCII a - d. Sin embargo, el componente principal es el LHC IIb, que se encuentra en la membrana como recortador.

El monómero está representado por un polipéptido al que se unen dos moléculas de luteína. Los principales complejos de LHC II se dividen en dos grupos: los que están estrechamente asociados con PSII y que pueden disociarse reversiblemente de PSII tras la fosforilación.

De hecho, la actividad de LHC II puede regularse por fosforilación por ATP a través de una proteína quinasa, y un residuo de treonina en el polipéptido es el sitio de fosforilación. Además, PSII contiene tres complejos de antenas periféricas menores, CP29, CP26 y CP24, que proporcionan conexiones entre la antena principal del LHC y el núcleo de PSII.

Papel de la antena en la fotosíntesis:

A. Función de recolección de luz:

Todos los pigmentos fotosintéticos que pertenecen al centro de reacción o a la antena son capaces de absorber directamente la luz solar. Bajo intensidades de luz diarias promedio, la tasa de absorción de luz por un pigmento del centro de reacción solo está muy por debajo de la capacidad de transporte de electrones fotosintéticos y no proporcionaría suficiente energía para impulsar el proceso.

Por lo tanto, la fotosíntesis eficiente solo es posible cuando la energía de fotones de varias longitudes de onda se captura sobre una determinada superficie que comprende cientos de pigmentos de antena.

Dado que los pigmentos accesorios como el Chl b y los carotenoides pertenecen a la antena y absorben longitudes de onda de luz que solo son absorbidas débilmente por Chl a, el rango de longitudes de onda sobre las que puede producirse la absorción de luz se hace más amplio, mejorando así la eficiencia de la absorción de la luz.

B. Protección contra especies de oxígeno activo:

El estado singlete excitado de chl a que se forma por absorción de luz es inestable y volverá a decaer a la energía más baja (estado fundamental) por medio de tres procesos intrínsecos.

Estos son el cruce entre sistemas al estado triplete, la disminución de la radiación (fluorescencia) y la emisión térmica (calor). El rendimiento de triplete Chl en la antena supera con creces el producido en el centro de reacción. El estado triplete de Chl a puede sensibilizar la formación de un estado singlete excitado de oxígeno (1 O2) mediante transferencia de energía triplete.

El oxígeno singlete producido es altamente reactivo y puede oxidar muchas moléculas biológicas importantes, particularmente lípidos. En todos los organismos fotosintéticos, este problema se supera por la presencia, en los complejos de antenas, de carotenoides que rápidamente apagan los estados triplete de Chl. La reacción de extinción implica la transferencia de energía del triplete de Cl a al carotenoide seguida de la disipación térmica de la energía del triplete en el carotenoide.

3 Chl * + carotenoide → Chl + 3 carotenoide * → Chl + carotenoide + calor

Además, los carotenoides pueden apagar el oxígeno singlete directamente a través de una reacción de transferencia de triplete similar.

1 O2 + carotenoide → O2 + 3 carotenoides * → O2 + carotenoide + calor

Por lo tanto, el carotenoide en las antenas fotosintéticas juega el papel esencial de fotoprotección al prevenir la formación y acumulación de singlete O2. Esta es la razón por la que las plantas sin carotenoides no pueden crecer y sobrevivir en condiciones de luz intensa.

C.Regulación de la utilización de la luz:

En las intensidades de luz límite, la tasa de fotosíntesis es lineal con la intensidad de la luz incidente. A medida que aumenta la intensidad de la luz, la tasa de fotosíntesis se satura y finalmente se vuelve independiente de la intensidad de la luz. Es interesante notar que se cree que la saturación de la fotosíntesis es el resultado de una limitación en la capacidad de las reacciones oscuras y no en el transporte de electrones fotosintéticos.

Por otro lado, la tasa de absorción de fotones permanece lineal al aumentar la intensidad de la luz. Como resultado, las plantas que crecen bajo intensidades de luz excesivas siempre absorben energía lumínica en exceso de la capacidad fotosintética para utilizar la energía para generar CO.2 fijación. Por tanto, el exceso de absorción de luz es un problema al que se enfrentan con frecuencia las plantas en el campo.

Cuando observamos el acoplamiento entre las reacciones claras y oscuras de la fotosíntesis, se hace evidente que una limitación de las reacciones fotosintéticas oscuras es causada por una regeneración más lenta de NADP +, ADP y fosfato inorgánico que eventualmente conduce a una inhibición del transporte de electrones.

La posterior limitación de los centros de reacción de PSII da como resultado un aumento de la fluorescencia y la formación de tripletes, lo que lleva a la producción de singlete O2 con daño oxidativo concomitante.

Al mismo tiempo, la disponibilidad limitada de NADP + permite que el O molecular2 para competir con la ferredoxina como aceptor de PSI, lo que resulta en la producción de superóxido y otros radicales libres que también causan daño oxidativo. Los complejos de pigmento-proteína de la antena juegan un papel importante en la regulación de la utilización de la energía luminosa absorbida.

Esto se logra mediante la transferencia de energía en estado excitado entre los pigmentos de la antena, mientras que el daño causado por el exceso de absorción de luz se minimiza mediante la transferencia de energía a los centros de reacción funcionales (enfriamiento fotoquímico) o mediante la disipación no destructiva del exceso de energía luminosa en forma de calor (no enfriamiento fotoquímico).

Por tanto, una eficiencia óptima de captación de luz en condiciones de poca luz está determinada por la estructura y composición de la antena.

Se ha propuesto un mecanismo para dar cuenta de los componentes de la reacción de extinción en la antena y el sitio en el que se produce la extinción.

Se ha observado una correlación entre la capacidad de extinción y la acumulación del carotenoide zeaxantina en la membrana tilacoide (Demming-Adams, 1990). La zeaxantina se forma en los tilacoides por des-epoxidación reversible de violaxantina (un diepóxido) a través del monoepóxido antheraxantina en un proceso llamado & # 8220 ciclo de xantofila & # 8221.

Se ha observado además que la reacción de des-epoxidación que forma zeaxantina se ve favorecida por el bajo pH del lumen tilacoide. La enzima epoxidasa que convierte la zeaxantina en violaxantina tiene un pH óptimo de 5,1 y su actividad se ve favorecida bajo luz excesiva.

D. Regulación de la Distribución de Energía de PSII a PSI:

La capacidad relativa de captación de luz de los dos fotosistemas debe controlarse para lograr velocidades máximas de transporte de electrones a una intensidad de luz particular (Allen, 1992). Este es otro mecanismo en el complejo de antenas para regular la utilización de la energía luminosa en la fotosíntesis.

Cuando NADP + se vuelve limitante debido a mucha luz o debido a limitaciones en las reacciones oscuras, la tasa de PQH2 la oxidación por PSI disminuye debido a un transporte de electrones más lento a través de PSI.

La reducción de la reserva de PQ activa una proteína quinasa que fosforila una reserva del componente LHC II de la antena e incluye el movimiento lateral del fosfo-LHC II desde el PSII en las regiones adpresas a las regiones expuestas al estroma de la membrana tilacoide.

Entonces, el fosfo-LHC II puede interactuar y entregar energía de excitación a PSI a expensas de PSII. Cuando el conjunto de PQ se oxida, la quinasa se desactiva y el proceso es revertido por una enzima fosfatasa a través de la desfosforilación de fosfo-LHC II, lo que hace que el LHC II resultante migre de regreso a las regiones de la membrana adpresa de la antena.


La morfología, la fotosíntesis y los pigmentos de las hojas cambian con la edad y la luz solar en el enebro savin

Este artículo ha sido aceptado para su publicación y se ha sometido a una revisión completa por pares, pero no ha pasado por el proceso de corrección de estilo, composición tipográfica, paginación y corrección de pruebas, lo que puede generar diferencias entre esta versión y la Versión del registro. Cite este artículo como doi: 10.1111 / plb.13256

Abstracto

El enebro de Savin es una excelente especie para el control de la desertificación en áreas áridas y semiáridas, donde típicamente se establece bajo la protección de plantas nodrizas. En última instancia, las plantas establecidas emergen a la luz solar plena a medida que crecen, y esta transición va acompañada de un aumento en la preponderancia de las formas de hojas en forma de escamas frente a las de agujas.

Para probar cómo la edad y los entornos de luz solar variable afectan la tolerancia a la sombra en el enebro savin, establecimos un estudio en macetas en condiciones de campo con dos cohortes de edad (vástagos enraizados de 1 y 4 años) y tres regímenes de luz solar (10%, 50% y Transmitancia de luz 100%). Medimos el crecimiento, los parámetros foliares, la fotosíntesis, la fluorescencia de la clorofila y los pigmentos foliares mensualmente (siete meses de crecimiento por año, de 2015 a 2017).

En general, hubo poca interacción para todas las variables, y tanto el régimen de cohorte como el de luz tuvieron efectos significativos. La forma y el espaciamiento de las hojas variaron continuamente, tendiendo hacia hojas de escamas más cortas, más estrechamente espaciadas y más adpresas con mayor masa de hojas secas por área en plantas más viejas o bajo mayor luz solar. No hubo patrones claros relacionados con la edad en los carotenoides, pero tanto la cohorte como la luz tuvieron efectos significativos sobre el intercambio de gases y las variables de fluorescencia de la clorofila.

El enebro de Savin muestra una tolerancia intermedia a la sombra que cambia con el crecimiento en el sentido de que las plantas más jóvenes eran menos tolerantes a pleno sol que las plantas más viejas, en consonancia con su dependencia de las plantas nodrizas para su establecimiento definitivo al aire libre.

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Artículos aceptados, sin editar, publicados en línea y citables. La versión final editada y compuesta del registro aparecerá en el futuro.


Laboratorio 4 Pigmentos vegetales

Introducción:
El propósito de este experimento de laboratorio fue separar los pigmentos de las plantas mediante cromatografía en papel y medir la tasa de fotosíntesis en cloroplastos aislados. Debido a la acción capilar, el solvente sube por el papel haciendo que los pigmentos se hagan visibles a ciertas distancias.

Las sustancias visibles en el papel se denominan pigmentos. La clorofila a es el pigmento principal que constituye aproximadamente el 75% de la pigmentación en las plantas. La clorofila b constituye aproximadamente el 25% de la pigmentación. Y los carotenos y xantofilas son pigmentos accesorios que componen el resto de la pigmentación. El caroteno es el más soluble de los pigmentos y, como resultado, el disolvente lo llevará más lejos. El papel mostrará un espectro de los pigmentos que se encuentran en las hojas de espinaca. Usando la fórmula Rf se puede determinar la relación entre la distancia que recorrió el solvente y la distancia que recorrió el pigmento.


Rf = distancia l2igmento migrado (mm) distancia frente solvente migrado

La luz es parte de un continuo de radiación u ondas de energía. La energía de la luz visible se utiliza en el proceso fotosintético. La luz se absorbe en los pigmentos de las hojas, los electrones dentro de cada fotosistema se impulsan a un nivel de energía más alto para producir ATP y reducir NADP y NADPH. Luego, el ATP se usa en la fijación de carbono. Esta es la incorporación de CO2 en moléculas orgánicas.
Para medir la transmitancia de luz en cloroplastos se utilizará un espectrofotómetro. La razón para medir la transmitancia de luz es calcular la tasa de fotosíntesis en los cloroplastos. Se utilizará una solución llamada DPIP en lugar de NADP para juzgar el cambio de color de las soluciones de cloroplasto. Esta técnica se conoce como reducción de tinte y prueba la hipótesis de que se requieren luz y cloroplastos para que se produzcan reacciones a la luz.

Hipótesis:
En este experimento se plantea la hipótesis de que la cubeta con cloroplastos hervidos y la cubeta mantenida en la oscuridad que contiene cloroplastos sin hervir tendrán cambios muy leves en la transmitancia de la luz, mientras que la cubeta que contiene cloroplastos sin hervir que han sido expuestos a la luz tendrá un% de transmitancia cada vez mayor. a lo largo del tiempo.

Materiales y métodos:
Laboratorio 4A:
Los materiales utilizados en esta sección del laboratorio fueron: papel de filtro, frasco de vidrio, pequeña cantidad de solvente, una moneda de veinticinco centavos y hojas de espinaca. El primer paso fue cortar un punto en un extremo del papel de filtro y dibujar una línea a lápiz a 1,5 cm de la punta de este punto. A continuación, se colocó una hoja de espinaca en la tira de papel y se pasó un cuarto encima de la línea de lápiz. Esto da una línea verde a través del papel, que contiene los pigmentos de la hoja. Luego se colocó la tira de papel en el vial con la punta hacia abajo. Cuando el pigmento alcanzó el punto a 1 cm de la parte superior del vial, se retiró. A continuación, se marcó rápidamente el frente del disolvente con un lápiz y luego se marcó también cada frente de pigmento. A partir de la distancia recorrida por el pigmento y la distancia recorrida por el disolvente, se calculó el valor de Rf.

Laboratorio 4B:
Los materiales utilizados en este laboratorio fueron: un espectrofotómetro, 4 cubetas, tampón de fosfato, agua destilada, cloroplastos hervidos, cloroplastos sin hervir y DPIP. En primer lugar, las cubetas se etiquetaron del 1 al 4 y se limpiaron con papel para lentes porque incluso el aceite de sus manos puede afectar la transmitancia de la luz a través de la cubeta. A continuación, se envolvió la cubeta 2 con papel de aluminio para mantener el contenido en la oscuridad. A continuación, se añadió 1 ml de tampón fosfato a las cuatro cubetas, se añadieron 4 ml de agua destilada a la cubeta 1, se añadieron 3 ml de agua destilada a las cubetas 2,3 y 4, y se añadieron 1 ml de DPIP a las cubetas 2,3. y 4. Luego se agregaron 3 gotas de cloroplastos sin hervir a la cubeta 1, se cubrió con parafilm, se colocó en el espectrofotómetro y se ajustó al 100% de transmitancia. Esta cubeta también se utilizó para recalibrar entre lecturas. Se colocaron tres gotas de cloroplastos sin hervir en las cubetas 2 y 3, y se colocaron tres gotas de cloroplastos hervidos en la cubeta 4. Las cubetas se cubrieron luego con parafilm. Cada uno se colocó en el espectrofotómetro y se registró el% de transmitancia de cada uno, cada cinco minutos durante 15 minutos.


Una descripción general de la fotosíntesis

Introducción

La fotosíntesis es la fuente fundamental de todos los alimentos y el oxígeno de la humanidad, mientras que los combustibles fotosintéticos fosilizados proporcionan ∼87% de la energía del mundo. Es el proceso bioquímico que sostiene la biosfera como base de la cadena alimentaria. El oxígeno producido como subproducto de la fotosíntesis permitió la formación de la capa de ozono, la evolución de la respiración aeróbica y, por tanto, la compleja vida multicelular.

La fotosíntesis oxigénica implica la conversión de agua y CO2 en moléculas orgánicas complejas como carbohidratos y oxígeno. La fotosíntesis puede dividirse en reacciones "claras" y "oscuras". En las reacciones de luz, el agua se divide usando la luz en oxígeno, protones y electrones, y en las reacciones de oscuridad, los protones y electrones se usan para reducir el CO.2 a los carbohidratos (dado aquí por la fórmula general CH2O). Los dos procesos se pueden resumir así:

El signo positivo de la cambio de energía libre estándar de la reacción (ΔGRAMO°) dado anteriormente significa que la reacción requiere energía (una reacción endergónica). La energía requerida es proporcionada por la energía solar absorbida, que se convierte en energía de enlace químico de los productos (Recuadro 1).

La fotosíntesis convierte 200.000 millones de toneladas de CO2 en compuestos orgánicos complejos anualmente y produce ∼140 mil millones de toneladas de oxígeno en la atmósfera. Al facilitar la conversión de la energía solar en energía química, la fotosíntesis actúa como el aporte de energía primaria a la cadena alimentaria global. Casi todos los organismos vivos utilizan los compuestos orgánicos complejos derivados de la fotosíntesis como fuente de energía. La descomposición de estos compuestos orgánicos se produce a través del proceso de respiración aeróbica, que por supuesto también requiere el oxígeno producido por la fotosíntesis.

A diferencia de la fotosíntesis, la respiración aeróbica es una proceso exergónico (Δ negativoGRAMO°) con la energía liberada siendo utilizada por el organismo para impulsar los procesos biosintéticos que permiten el crecimiento y la renovación, el trabajo mecánico (como la contracción muscular o la rotación de los flagelos) y facilitar cambios en las concentraciones químicas dentro de la célula (por ejemplo, acumulación de nutrientes y expulsión de desechos ). El uso de reacciones exergónicas para potenciar las endergónicas asociadas con la biosíntesis y la limpieza en organismos biológicos de manera que el cambio total de energía libre es negativo se conoce como "acoplamiento'.

La fotosíntesis y la respiración son aparentemente opuestas entre sí, con la importante salvedad de que tanto la formación de oxígeno durante la fotosíntesis como su utilización durante la respiración resultan en su liberación o incorporación, respectivamente, al agua en lugar de CO.2. Además, la glucosa es uno de los varios productos posibles de la fotosíntesis, y los aminoácidos y los lípidos también se sintetizan rápidamente a partir de los productos fotosintéticos primarios.

La consideración de la fotosíntesis y la respiración como procesos opuestos nos ayuda a apreciar su papel en la configuración de nuestro entorno. La fijación de CO2 por fotosíntesis y su liberación durante la descomposición de moléculas orgánicas durante la respiración, la descomposición y la combustión de materia orgánica y combustibles fósiles se puede visualizar como el ciclo global del carbono (Figura 1).

El ciclo global del carbono

La relación entre la respiración, la fotosíntesis y el CO global2 y O2 niveles.

La relación entre la respiración, la fotosíntesis y el CO global2 y O2 niveles.

En la actualidad, se puede considerar que este ciclo se encuentra en un estado de desequilibrio debido a la quema de combustibles fósiles (fotosíntesis fosilizada), que está aumentando la proporción de CO2 entrar en la atmósfera de la Tierra, lo que lleva al llamado "efecto invernadero" y al cambio climático provocado por el hombre.

Se cree que la fotosíntesis oxigénica ha evolucionado solo una vez durante la historia de la Tierra en las cianobacterias. Todos los demás organismos, como las plantas, las algas y las diatomeas, que realizan la fotosíntesis oxigénica en realidad lo hacen a través de endosimbiontes cianobacterianos o "cloroplastos". Se estima que un evento endosimbiotóico entre una célula eucariota ancestral y una cianobacteria que dio origen a las plantas ocurrió hace unos 1.500 millones de años. Las cianobacterias de vida libre todavía existen hoy y son responsables de aproximadamente el 50% de la fotosíntesis del mundo. Se cree que las propias cianobacterias han evolucionado a partir de bacterias fotosintéticas más simples que utilizan compuestos orgánicos o inorgánicos como el sulfuro de hidrógeno como fuente de electrones en lugar de agua y, por lo tanto, no producen oxígeno.

El sitio de la fotosíntesis en las plantas.

En las plantas terrestres, los principales órganos de la fotosíntesis son las hojas (Figura 2A). Las hojas han evolucionado para exponer la mayor área posible de tejido verde a la luz y a la entrada de CO.2 a la hoja está controlado por pequeños agujeros en la epidermis inferior llamados estomas (Figura 2B). El tamaño de las aberturas de los estomas es variable y regulado por un par de células de protección, que responden a la presión de turgencia (contenido de agua) de la hoja, por lo que cuando la hoja está hidratada, los estomas pueden abrirse para permitir el CO2 Por el contrario, cuando el agua es escasa, las células de guarda pierden la presión de turgencia y se cierran, impidiendo el escape de agua de la hoja a través de la transpiración.

Ubicación de la maquinaria fotosintética

(A) La planta modelo Arabidopsis thaliana. (B) Estructura básica de una hoja mostrada en sección transversal. Los cloroplastos se muestran como puntos verdes dentro de las células. (C) Una micrografía electrónica de un Arabidopsis cloroplasto dentro de la hoja. (D) Región de primer plano del cloroplasto que muestra la estructura apilada de la membrana tilacoide.

(A) La planta modelo Arabidopsis thaliana. (B) Estructura básica de una hoja mostrada en sección transversal. Los cloroplastos se muestran como puntos verdes dentro de las células. (C) Una micrografía electrónica de un Arabidopsis cloroplasto dentro de la hoja. (D) Región de primer plano del cloroplasto que muestra la estructura apilada de la membrana tilacoide.

Dentro del tejido verde de la hoja (principalmente el mesófilo), cada célula (∼100 μm de longitud) contiene ∼100 cloroplastos (2-3 μm de longitud), los diminutos orgánulos donde tiene lugar la fotosíntesis. El cloroplasto tiene una estructura compleja (Figura 2C, D) con dos membranas externas (la envoltura), que son incoloras y no participan en la fotosíntesis, encerrando un espacio acuoso (el estroma) en el que se asienta una tercera membrana conocida como tilacoide, que a su vez encierra un único espacio acuoso continuo llamado lumen.

Las reacciones a la luz de la fotosíntesis involucran transferencias de electrones y protones impulsadas por la luz, que ocurren en la membrana tilacoide, mientras que las reacciones oscuras involucran la fijación de CO2 en carbohidratos, a través del ciclo de Calvin-Benson, que ocurre en el estroma (Figura 3). Las reacciones de luz implican la transferencia de electrones del agua al NADP + para formar NADPH y estas reacciones se acoplan a las transferencias de protones que conducen a la fosforilación del difosfato de adenosina (ADP) en ATP. El ciclo de Calvin-Benson usa ATP y NADPH para convertir CO2 en carbohidratos (Figura 3), regenerando ADP y NADP +. Por lo tanto, las reacciones de luz y oscuridad son mutuamente dependientes entre sí.

División del trabajo dentro del cloroplasto

Las reacciones de luz de la fotosíntesis tienen lugar en la membrana tilacoide, mientras que las reacciones oscuras se localizan en el estroma del cloroplasto.

Las reacciones de luz de la fotosíntesis tienen lugar en la membrana tilacoide, mientras que las reacciones oscuras se localizan en el estroma del cloroplasto.

Cadena de transferencia fotosintética de electrones y protones

Las reacciones de transferencia de electrones impulsadas por la luz de la fotosíntesis comienzan con la división del agua por el Fotosistema II (PSII). El PSII es un complejo de clorofila-proteína incrustado en la membrana tilacoide que usa la luz para oxidar el agua en oxígeno y reducir la plastoquinona aceptora de electrones a plastoquinol. El plastoquinol, a su vez, transporta los electrones derivados del agua a otro complejo proteico incrustado en tilacoides llamado citocromo. B6F (cytB6F). cytB6F oxida el plastoquinol a plastoquinona y reduce una pequeña proteína transportadora de electrones soluble en agua, la plastocianina, que reside en la luz. Luego, otro complejo proteico de clorofila llamado Fotosistema I (PSI) lleva a cabo una segunda reacción impulsada por la luz. El PSI oxida la plastocianina y reduce otra proteína transportadora de electrones soluble, la ferredoxina, que reside en el estroma. Luego, la ferredoxina puede ser utilizada por la enzima ferredoxina-NADP + reductasa (FNR) para reducir NADP + a NADPH. Este esquema se conoce como la vía de transferencia lineal de electrones o esquema Z (Figura 4).

La cadena de transferencia fotosintética de electrones y protones

La vía de transferencia lineal de electrones del agua al NADP + para formar NADPH da como resultado la formación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide que es utilizada por la enzima ATP sintasa para producir ATP.

La vía de transferencia lineal de electrones del agua al NADP + para formar NADPH da como resultado la formación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide que es utilizada por la enzima ATP sintasa para producir ATP.

El esquema Z, así llamado porque se asemeja a la letra 'Z' cuando se gira de lado (Figura 5), ​​muestra cómo los electrones se mueven desde el par agua-oxígeno (+820 mV) a través de una cadena de portadores redox a NADP + / NADPH (−320 mV) durante la transferencia de electrones fotosintéticos. Generalmente, los electrones se transfieren de pares redox con potenciales bajos (buenos reductores) a aquellos con potenciales más altos (buenos oxidantes) (por ejemplo, durante la transferencia de electrones respiratorios en las mitocondrias) ya que este proceso es exergónico (ver Cuadro 2). Sin embargo, la transferencia de electrones fotosintéticos también implica dos pasos endergónicos, que ocurren en PSII y en PSI y requieren una entrada de energía en forma de luz. La energía de la luz se usa para excitar un electrón dentro de una molécula de clorofila que reside en PSII o PSI a un nivel de energía más alto, esta clorofila excitada es capaz de reducir los aceptores subsiguientes en la cadena. The oxidized chlorophyll is then reduced by water in the case of PSII and plastocyanin in the case of PSI.

Z-scheme of photosynthetic electron transfer

The main components of the linear electron transfer pathway are shown on a scale of redox potential to illustrate how two separate inputs of light energy at PSI and PSII result in the endergonic transfer of electrons from water to NADP + .

The main components of the linear electron transfer pathway are shown on a scale of redox potential to illustrate how two separate inputs of light energy at PSI and PSII result in the endergonic transfer of electrons from water to NADP + .

The water-splitting reaction at PSII and plastoquinol oxidation at cytB6F result in the release of protons into the lumen, resulting in a build-up of protons in this compartment relative to the stroma. The difference in the proton concentration between the two sides of the membrane is called a proton gradient. The proton gradient is a store of free energy (similar to a gradient of ions in a battery) that is utilized by a molecular mechanical motor ATP synthase, which resides in the thylakoid membrane (Figure 4). The ATP synthase allows the protons to move down their concentration gradient from the lumen (high H + concentration) to the stroma (low H + concentration). This exergonic reaction is used to power the endergonic synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate (PI). This process of photophosphorylation is thus essentially similar to oxidative phosphorylation, which occurs in the inner mitochondrial membrane during respiration.

An alternative electron transfer pathway exists in plants and algae, known as cyclic electron flow. Cyclic electron flow involves the recycling of electrons from ferredoxin to plastoquinone, with the result that there is no net production of NADPH however, since protons are still transferred into the lumen by oxidation of plastoquinol by cytB6F, ATP can still be formed. Thus photosynthetic organisms can control the ratio of NADPH/ATP to meet metabolic need by controlling the relative amounts of cyclic and linear electron transfer.


Fotosíntesis

Photosynthesis, Volume 1: Energy Conversion by Plants and Bacteria tackles the conversion of light energy into the production of ATP and NADPH in both plants and bacteria. The various aspects of the energy conversion process in plants and bacteria are thoroughly discussed in this volume. The concepts and terms employed in the book are used integrally, except when a process is unique to one system. This book, which comprises of six parts, emphasizes both the biochemical and biophysical aspects of photosynthesis. It includes a review of the historical development of major concepts, an analysis of experimental data, and an exposition of subsequent findings. The first part of this book serves as the foundation of basic terms and concepts that will be used all throughout in this book. Part II deals with the structure and function, whereas Part III with the primary photochemistry. Part IV is about electron transport, while Part V focuses on photophosphorylation. The last part deals with the biosynthesis of pigments. This book will be a great reference for researchers. It will also be an introductory work for students in cell biology, physiology, biochemistry, and biophysics.

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Accessory Pigments

Accessory pigments play an important role in the process of photosynthesis. This article gives you more information about them.

Accessory pigments play an important role in the process of photosynthesis. This article gives you more information about them.

The compounds present in plants that, in a way, assist in the absorption of light during the process of photosynthesis, are accessory pigments. As their name suggests, they act as helpers or assist chlorophyll in absorption of light. These may be chlorophyll variants or other classes. There are different kinds present in plants that have been discovered recently.

What are Accessory Pigments?

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Photosynthetic pigments are broadly categorized into three classes. Son

These classes are further divided into various sub-classes. Amongst these, chlorophyll has various types such as chlorophyll a, chlorophyll b (found in green algae), and chlorophyll c (found in members of Chromista and dinoflagellates). Chlorophyll a is the most important one, and the rest are therefore termed as accessory pigments. Chlorophyll ones have a porphyrin ring, within which electrons can move freely. Due to this property of these rings, they can lose or gain electrons, and therefore are capable of capturing light.

Carotenoids are also accessory pigments, which are red, orange, and yellow in color. They are abundantly found in plants and are present in chloroplasts. There are around 600 types of carotenoids. These are made up of two, six carbon rings, that are connected by carbon atoms. Carotenoids are incapable of transferring the absorbed light to the photosynthetic pathway. Thus, the energy that is absorbed by them is transferred to chlorophyll a, through various reactions, which then transfers energy into the photosynthetic pathway. They are present in the chloroplasts and chromoplasts of plants. They are further classified as xanthophylls, which contain oxygen and carotenes, which are basically just hydrocarbons with no oxygen. They are found in various plants and also types of algae, fungi, and bacteria.

Phycobilins are water soluble and they are present in the cytoplasm or the stroma of the chloroplasts. They are only found in cyanobacteria and rhodophyta. The four types of phycobilins are phycoerythrobilin, phycourobilin, phycoviolobilin, and phycocyanobilin.

What is the Function of Accessory Pigments?

To understand their function, it is necessary to know the chloroplast structure and function, that plays an important role in the process of photosynthesis. Chlorophyll is the primary pigment that intercepts sunlight to utilize it for the process of photosynthesis. All of them have different absorption spectra, that is, they absorb light at different wavelengths. The porphyrin ring of chlorophyll absorbs yellow as well as blue wavelengths, and reflects green wavelengths. They absorb light from different wavelengths (carotenoids absorb the green wavelength along with chlorophyll b), which are not readily absorbed by chlorophyll.

Hence, their basic function is transferring energy to chlorophyll a. Chlorophyll a then triggers chemical reactions in the chloroplasts, known as the light dependent process of photosynthesis or just Light Reactions. Products of these reactions are then utilized in the Dark Reactions de la fotosíntesis. Carotenoids are the most important ones in the process of photosynthesis. The carbon bonds in the two rings of carotenoids interact with each other, this is the conjugated system. This system makes the movement of electrons relatively free, and it therefore becomes energy conserving. As a result, the range of energies of light that is absorbed, decrease. More light is absorbed from the short end of the spectrum, hence giving the pigment a red appearance.

In aquatic ecosystem, the absorption spectrum of pigments differs due to the presence of water and other organic and dissolved matter. It is the phycocyanin that absorbs wavelengths of red, and therefore cyanobacteria can survive in dark inland water.

Thus, it is the presence of these accessory pigments in plants that makes it possible for the plants to absorb a wide range of wavelengths from the visible spectrum. Thus, they play a vital role in the survival of photosynthetic plants and contribute a lot more to the ecosystem as well.

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Contenido

See conjugated systems for electron bond chemistry that causes these molecules to have pigment.

    /porphyrin-based: chlorophyll, bilirubin, hemocyanin, hemoglobin, myoglobin Light-emitting: luciferin :
      (algal pigments, mixes of carotenoids and their derivates) : alpha and beta carotene, lycopene, rhodopsin : canthaxanthin, zeaxanthin, lutein

    The primary function of pigments in plants is photosynthesis, which uses the green pigment chlorophyll and several colorful pigments that absorb as much light energy as possible. [4] [5] Pigments are also known to play a role in pollination where pigment accumulation or loss can lead to floral color change, signaling to pollinators which flowers are rewarding and contain more pollen and nectar. [6]

    Plant pigments include many molecules, such as porphyrins, carotenoids, anthocyanins and betalains. Todos los pigmentos biológicos absorben selectivamente ciertas longitudes de onda de luz mientras reflejan otras. [4] [5]

    The principal pigments responsible are:

    • Clorofila is the primary pigment in plants it is a chlorin that absorbs blue and red wavelengths of light while reflecting a majority of green. It is the presence and relative abundance of chlorophyll that gives plants their green color. All land plants and green algae possess two forms of this pigment: chlorophyll a y clorofila B. Kelps, diatoms, and other photosynthetic heterokonts contain chlorophyll C en lugar de B, while red algae possess only chlorophyll a. All chlorophylls serve as the primary means plants use to intercept light in order to fuel photosynthesis.
    • Carotenoids are red, orange, or yellow tetraterpenoids. During the process of photosynthesis, they have functions in light-harvesting (as accessory pigments), in photoprotection (energy dissipation via non-photochemical quenching as well as singlet oxygen scavenging for prevention of photooxidative damage), and also serve as protein structural elements. In higher plants, they also serve as precursors to the plant hormone abscisic acid.
    • Betalains are red or yellow pigments. Like anthocyanins they are water-soluble, but unlike anthocyanins they are synthesized from tyrosine. This class of pigments is found only in the Caryophyllales (including cactus and amaranth), and never co-occur in plants with anthocyanins. [5] Betalains are responsible for the deep red color of beets.
    • Anthocyanins (literally "flower blue") are water-solubleflavonoidpigments that appear red to blue, according to pH. They occur in all tissues of higher plants, providing color in leaves, plant stem, roots, flowers, and fruits, though not always in sufficient quantities to be noticeable. Anthocyanins are most visible in the petals of flowers of many species. [5]

    Plants, in general, contain six ubiquitous carotenoids: neoxanthin, violaxanthin, antheraxanthin, zeaxanthin, lutein and β-carotene. [7] Lutein is a yellow pigment found in fruits and vegetables and is the most abundant carotenoid in plants. Lycopene is the red pigment responsible for the color of tomatoes. Other less common carotenoids in plants include lutein epoxide (in many woody species), lactucaxanthin (found in lettuce), and alpha carotene (found in carrots). [8]

    A particularly noticeable manifestation of pigmentation in plants is seen with autumn leaf color, a phenomenon that affects the normally green leaves of many deciduous trees and shrubs whereby they take on, during a few weeks in the autumn season, various shades of red, yellow, purple, and brown. [9]

    Chlorophylls degrade into colorless tetrapyrroles known as nonfluorescent chlorophyll catabolites (NCCs). [10] As the predominant chlorophylls degrade, the hidden pigments of yellow xanthophylls and orange beta-carotene are revealed. These pigments are present throughout the year, but the red pigments, the anthocyanins, are synthesized de novo once roughly half of chlorophyll has been degraded. The amino acids released from degradation of light harvesting complexes are stored all winter in the tree's roots, branches, stems, and trunk until next spring when they are recycled to re‑leaf the tree.

    Algae are very diverse photosynthetic organisms, which differ from plants in that they are aquatic organisms, they do not present vascular tissue and do not generate an embryo. However, both types of organisms share the possession of photosynthetic pigments, which absorb and release energy that is later used by the cell. These pigments in addition to chlorophylls, are phycobiliproteins, fucoxanthins, xanthophylls and carotenes, which serve to trap the energy of light and lead it to the primary pigment, which is responsible for initiating oxygenic photosynthesis reactions.

    Algal phototrophs such as dinoflagellates use peridinin as a light harvesting pigment. While carotenoids can be found complexed within chlorophyll-binding proteins such as the photosynthetic reaction centers and light-harvesting complexes, they also are found within dedicated carotenoid proteins such as the orange carotenoid protein of cyanobacteria.

    -Phycoerythrin red-purple pigment, it is the dominant one in the species that have a red-purple color.

    Bacteria produce pigments such as carotenoids, melanin, violacein, prodigiosin, pyocyanin, actinorhodin, and zeaxanthin. Cyanobacteria produce phycocyanin, phycoerythrin, scytonemine, chlorophyll a, chlorophyll d, and chlorophyll f. Purple sulfur bacteria produce bacteriochlorophyll a and bacteriochlorophyll b. [11] In cyanobacteria, many other carotenoids exist such as canthaxanthin, myxoxanthophyll, synechoxanthin, and echinenone.

    -Phycocyanin blue-green pigment, is the dominant pigment in cyanobacteria

    Most of the hemoglobin is removed when animals are slaughtered and bled. Thus, in properly bled muscle tissue myoglobin is responsible for 90% or more of the pigmentation. The myoglobin quantity varies considerably among muscle tissues and is influenced by species, age, sex, and physical activity.

    Pigmentation is used by many animals for protection, by means of camouflage, mimicry, or warning coloration. Some animals including fish, amphibians and cephalopods use pigmented chromatophores to provide camouflage that varies to match the background.

    Pigmentation is used in signalling between animals, such as in courtship and reproductive behavior. For example, some cephalopods use their chromatophores to communicate.

    The photopigment rhodopsin intercepts light as the first step in the perception of light.

    Skin pigments such as melanin may protect tissues from sunburn by ultraviolet radiation.

    However, some biological pigments in animals, such as heme groups that help to carry oxygen in the blood, are colored as a result of happenstance. Their color does not have a protective or signalling function.

    Diseases and conditions Edit

    A variety of diseases and abnormal conditions that involve pigmentation are in humans and animals, either from absence of or loss of pigmentation or pigment cells, or from the excess production of pigment.

      is an inherited disorder characterized by total or partial loss of melanin. Humans and animals that suffer from albinism are called "albinistic" (the term "albino" is also sometimes used, but may be considered offensive when applied to people). , also called "fish scale disease", is an inherited condition in which one symptom is excess production of melanin. The skin is darker than normal, and is characterized by darkened, scaly, dry patches. is a condition in which dark brown patches of pigment appear on the face, influenced by hormonal changes. When it occurs during a pregnancy, this condition is called the mask of pregnancy.
    • ocular pigmentation is an accumulation of pigment in the eye, and may be caused by latanoprost medication. [12] is a condition in which there is a loss of pigment-producing cells called melanocytes in patches of skin.

    Pigments in marine animals Edit

    Carotenoids and carotenoproteins Edit

    Carotenoids are the most common group of pigments found in nature. [13] Over 600 different kinds of carotenoids are found in animals, plants, and microorganisms.

    Animals are incapable of making their own carotenoids and thus rely on plants for these pigments. Carotenoproteins are especially common among marine animals. These complexes are responsible for the various colors (red, purple, blue, green, etc.) to these marine invertebrates for mating rituals and camouflage. There are two main types of carotenoproteins: Type A and Type B. Type A has carotenoids (chromogen) which are stoichiometrically associated with a simple protein (glycoprotein). The second type, Type B, has carotenoids which are associated with a lipo protein and is usually less stable. While Type A is commonly found in the surface (shells and skins) of marine invertebrates, Type B is usually in eggs, ovaries, and blood. The colors and characteristic absorption of these carotenoprotein complexes are based upon the chemical binding of the chromogen and the protein subunits.

    For example, the blue carotenoprotein, linckiacyanin has about 100-200 carotenoid molecules per every complex. [14] In addition, the functions of these pigment-protein complexes also change their chemical structure as well. Carotenoproteins that are within the photosynthetic structure are more common, but complicated. Pigment-protein complexes that are outside of the photosynthetic system are less common, but have a simpler structure. For example, there are only two of these blue astaxanthin-proteins in the jellyfish, Velella velella, contains only about 100 carotenoids per complex. [ cita necesaria ]

    A common carotenoid in animals is astaxanthin, which gives off a purple-blue and green pigment. Astaxanthin's color is formed by creating complexes with proteins in a certain order. For example, the crustochrin has approximately 20 astaxanthin molecules bonded with protein. When the complexes interact by exciton-exciton interaction, it lowers the absorbance maximum, changing the different color pigments.

    In lobsters, there are various types of astaxanthin-protein complexes present. The first one is crustacyanin (max 632 nm), a slate-blue pigment found in the lobster's carapace. The second one is crustochrin (max 409), a yellow pigment which is found on the outer layer of the carapace. Lastly, the lipoglycoprotein and ovoverdin forms a bright green pigment that is usually present in the outer layers of the carapace and the lobster eggs [15] [16]

    Tetrapyrroles Edit

    Tetrapyrroles are the next most common group of pigments. [ cita necesaria ] They have four pyrrole rings, each ring consisting of C4H4NH. The main role of the tetrapyrroles is their connection in the biological oxidation process. Tetrapyrroles have a major role in electron transport and act as a replacement for many enzymes. They also have a role in the pigmentation of the marine organism's tissues.

    Melanin Edit

    Melanin [17] is a class of compounds that serves as a pigment with different structures responsible for dark, tan, yellowish / reddish pigments in marine animals. It is produced as the amino acid tyrosine is converted into melanin, which is found in the skin, hair, and eyes. Derived from aerobic oxidation of phenols, they are polymers.

    There are several different types of melanins considering that they are an aggregate of smaller component molecules, such as nitrogen containing melanins. There are two classes of pigments: black and brown insoluble eumelanins, which are derived from aerobic oxidation of tyrosine in the presence of tyrosinase, and the alkali-soluble phaeomelanins which range from a yellow to red brown color, arising from the deviation of the eumelanin pathway through the intervention of cysteine and/or glutathione. Eumelanins are usually found in the skin and eyes. Several different melanins include melanoprotein (dark brown melanin that is stored in high concentrations in the ink sac of the cuttlefish Sepia Officianalis), echinoidea (found in sand dollars, and the hearts of sea urchins), holothuroidea (found in sea cucumbers), and ophiuroidea (found in brittle and snake stars). These melanins are possibly polymers which arise from the repeated coupling of simple bi-polyfunctional monomeric intermediates, or of high molecular weights. The compounds benzothiazole and tetrahydroisoquinoline ring systems act as UV-absorbing compounds.

    Bioluminiscencia Editar

    The only light source in the deep sea, marine animals give off visible light energy called bioluminescence, [18] a subset of chemiluminescence. This is the chemical reaction in which chemical energy is converted to light energy. It is estimated that 90% of deep-sea animals produce some sort of bioluminescence. Considering that a large proportion of the visible light spectrum is absorbed before reaching the deep sea, most of the emitted light from the sea-animals is blue and green. However, some species may emit a red and infrared light, and there has even been a genus that is found to emit yellow bioluminescence. The organ that is responsible for the emission of bioluminescence is known as photophores. This type is only present in squid and fish, and is used to illuminate their ventral surfaces, which disguise their silhouettes from predators. The uses of the photophores in the sea-animals differ, such as lenses for controlling intensity of color, and the intensity of the light produced. Squids have both photophores and chromatophores which controls both of these intensities. Another thing that is responsible for the emission of bioluminescence, which is evident in the bursts of light that jellyfish emit, start with a luciferin (a photogen) and ends with the light emitter (a photagogikon.) Luciferin, luciferase, salt, and oxygen react and combine to create a single unit called photo-proteins, which can produce light when reacted with another molecule such as Ca+. Jellyfish use this as a defense mechanism when a smaller predator is attempting to devour a jellyfish, it will flash its lights, which would therefore lure a larger predator and chase the smaller predator away. It is also used as mating behavior.

    In reef-building coral and sea anemones, they fluoresce light is absorbed at one wavelength, and re-emitted at another. These pigments may act as natural sunscreens, aid in photosynthesis, serve as warning coloration, attract mates, warn rivals, or confuse predators.

    Chromatophores Edit

    Chromatophores are color pigment changing cells that are directly stimulated by central motor neurons. They are primarily used for quick environmental adaptation for camouflaging. The process of changing the color pigment of their skin relies on a single highly developed chromatophore cell and many muscles, nerves, glial and sheath cells. Chromatophores contract and contain vesicles that stores three different liquid pigments. Each color is indicated by the three types of chromatophore cells: erythrophores, melanophores, and xanthophores. The first type is the erythrophores, which contains reddish pigments such as carotenoids and pteridines. The second type is the melanophores, which contains black and brown pigments such as the melanins. The third type is the xanthophores which contains yellow pigments in the forms of carotenoids. The various colors are made by the combination of the different layers of the chromatophores. These cells are usually located beneath the skin or scale the animals. There are two categories of colors generated by the cell – biochromes and schematochromes. Biochromes are colors chemically formed microscopic, natural pigments. Their chemical composition is created to take in some color of light and reflect the rest. In contrast, schematochromes (structural colors) are colors created by light reflections from a colorless surface and refractions by tissues. Schematochromes act like prisms, refracting and dispersing visible light to the surroundings, which will eventually reflect a specific combination of colors. These categories are determined by the movement of pigments within the chromatophores. The physiological color changes are short-term and fast, found in fishes, and are a result from an animal's response to a change in the environment. In contrast, the morphological color changes are long-term changes, occurs in different stages of the animal, and are due to the change of numbers of chromatophores. To change the color pigments, transparency, or opacity, the cells alter in form and size, and stretch or contract their outer covering.

    Photo-protective pigments Edit

    Due to damage from UV-A and UV-B, marine animals have evolved to have compounds that absorb UV light and act as sunscreen. Mycosporine-like amino acids (MAAs) can absorb UV rays at 310-360 nm. Melanin is another well-known UV-protector. Carotenoids and photopigments both indirectly act as photo-protective pigments, as they quench oxygen free-radicals. They also supplement photosynthetic pigments that absorb light energy in the blue region.

    Defensive role of pigments Edit

    It's known that animals use their color patterns to warn off predators, however it has been observed that a sponge pigment mimicked a chemical which involved the regulation of moulting of an amphipod that was known to prey on sponges. So whenever that amphipod eats the sponge, the chemical pigments prevents the moulting, and the amphipod eventually dies.

    Environmental influence on color Edit

    Coloration in invertebrates varies based on the depth, water temperature, food source, currents, geographic location, light exposure, and sedimentation. For example, the amount of carotenoid a certain sea anemone decreases as we go deeper into the ocean. Thus, the marine life that resides on deeper waters is less brilliant than the organisms that live in well-lit areas due to the reduction of pigments. In the colonies of the colonial ascidian-cyanophyte symbiosis Trididemnum solidum, their colors are different depending on the light regime in which they live. The colonies that are exposed to full sunlight are heavily calcified, thicker, and are white. In contrast the colonies that live in shaded areas have more phycoerythrin (pigment that absorbs green) in comparison to phycocyanin (pigment that absorbs red), thinner, and are purple. The purple color in the shaded colonies are mainly due to the phycobilin pigment of the algae, meaning the variation of exposure in light changes the colors of these colonies.

    Coloración adaptable Editar

    Aposematism is the warning coloration to signal potential predators to stay away. In many chromodrorid nudibranchs, they take in distasteful and toxic chemicals emitted from sponges and store them in their repugnatorial glands (located around the mantle edge). Predators of nudibranchs have learned to avoid these certain nudibranchs based on their bright color patterns. Preys also protect themselves by their toxic compounds ranging from a variety of organic and inorganic compounds.

    Physiological activities Edit

    Pigments of marine animals serve several different purposes, other than defensive roles. Some pigments are known to protect against UV (see photo-protective pigments.) In the nudibranch Nembrotha Kubaryana, tetrapyrrole pigment 13 has been found to be a potent antimicrobial agent. Also in this creature, tamjamines A, B, C, E, and F has shown antimicrobial, antitumor, and immunosuppressive activities.

    Sesquiterpenoids are recognized for their blue and purple colors, but it has also been reported to exhibit various bioactivities such as antibacterial, immunoregulating, antimicrobial, and cytotoxic, as well as the inhibitory activity against cell division in the fertilized sea urchin and ascidian eggs. Several other pigments have been shown to be cytotoxic. In fact, two new carotenoids that were isolated from a sponge called Phakellia stelliderma showed mild cytotoxicity against mouse leukemia cells. Other pigments with medical involvements include scytonemin, topsentins, and debromohymenialdisine have several lead compounds in the field of inflammation, rheumatoid arthritis and osteoarthritis respectively. There's evidence that topsentins are potent mediators of immunogenic inflation, and topsentin and scytonemin are potent inhibitors of neurogenic inflammation.

    Pigments may be extracted and used as dyes.

    Pigments (such as astaxanthin and lycopene) are used as dietary supplements.


    Ver el vídeo: Experiencias en Biologìa Pigmentos vegetales (Mayo 2022).