La fotosíntesi i la quimiosíntesi

Quin pigment principal capta la llum en les plantes verdes i en quina estructura de la cèl·lula es troba? Quins colors (longituds d'ona) de la llum absorbeix preferentment i quin reflecteix?

Què és un fotosistema i què conté al seu centre de reacció? Explica què li passa a la clorofil·la quan absorbeix l'energia de la llum.

Descriu el recorregut d'un electró des d'una molècula d'aigua fins al $\text{NADP}^+$ durant la fase lluminosa (fotosistemes II i I i cadena de transport d'electrons), i indica en quin moment es desprèn el $\text{O}_2$ i on queden acumulats els protons.

Explica què és la fotòlisi de l'aigua, en quina fase i lloc del cloroplast té lloc, i quin és el destí dels electrons, dels protons i de l'oxigen que es generen.

Explica en què consisteix la fotofosforil·lació i compara-la amb la fosforil·lació oxidativa del mitocondri: font inicial d'electrons, acceptor final d'electrons i formació i ús del gradient de protons.

En una recreació de l'experiment de Robert Hill, s'aïllen cloroplasts d'espinac i es col·loquen en dissolució isotònica amb DCPIP (un acceptor d'electrons artificial que passa de blau fosc en estat oxidat a incolor en estat reduït). S'assagen quatre tubs sense $\text{CO}_2$:

• Tub 1: En foscor.

• Tub 2: Exposat a la llum.

• Tub 3: Exposat a la llum, després d'haver afegit DCMU (un inhibidor del fotosistema II).

• Tub 4: Exposat a la llum, però havent bullit prèviament els cloroplasts a 100 °C.

1. a) Prediu en quin o quins dels tubs hi haurà pèrdua del color blau i despreniment de bombolles d'$\text{O}_2$. Justifica la teva predicció indicant quin acceptor fisiològic substitueix el DCPIP.
2. b) A partir del resultat del Tub 2, rebat la hipòtesi que l'oxigen que s'allibera en la fotosíntesi procedeix del $\text{CO}_2$.
3. c) Raona si els cloroplasts del Tub 2 sintetitzen o no glúcids en aquestes condicions, i què demostra aquest fet respecte a la interdependència entre la fase lluminosa i la fase biosintètica (cicle de Calvin).

Indica quins dos productes de la fase lluminosa utilitza el cicle de Calvin i per a què els empra en la síntesi de glúcids.

En el cicle de Calvin es «fixa» el $\text{CO}_2$ a l'estroma. Explica què significa fixar el $\text{CO}_2$, quin enzim catalitza aquesta fixació i d'on provenen l'ATP i el NADPH que consumeix el cicle.

El cicle de Calvin té tres fases: fixació del $\text{CO}_2$, reducció i regeneració de la ribulosa-1,5-bisfosfat. Descriu-les breument i indica quantes molècules de $\text{CO}_2$ s'han de fixar per formar una molècula de glucosa.

En les plantes $\text{C}_4$ (blat de moro, canya de sucre), el $\text{CO}_2$ es fixa primer en un compost de quatre carbonis que després l'allibera a prop de l'enzim Rubisco. Explica quin problema resol aquest mecanisme (la competència entre $\text{O}_2$ i $\text{CO}_2$ per la Rubisco, o fotorrespiració) i per què aquestes plantes rendeixen especialment bé en climes càlids.

En un laboratori s'aïllen dos cultius de microorganismes autòtrofs desconeguts (A i B) capaços de fixar $^{14}\text{CO}_2$ en medi mineral. En sotmetre'ls a diferents condicions experimentals, s'obtenen les dades següents:

• En foscor absoluta i en presència de $\text{NH}_4^+$ i $\text{O}_2$, només el cultiu A prolifera i incorpora $^{14}\text{C}$ a la seva biomassa orgànica.

• En presència de llum i en absència de donadors inorgànics reduïts (llevat d'$\text{H}_2\text{O}$), prolifera el cultiu B, però el cultiu A no mostra creixement.

• Si s'elimina l'$\text{O}_2$ del medi en foscor, el cultiu A atura totalment la fixació de $^{14}\text{CO}_2$, malgrat disposar d'abundant $\text{NH}_4^+$.

1. a) Dedueix el tipus de metabolisme autòtrof de cada cultiu (quimiosíntesi o fotosíntesi), identificant en cada cas la font primària d'energia, la font de carboni i el donador d'electrons.
2. b) Justifica per què el cultiu A és estrictament dependent d'$\text{O}_2$ per sintetitzar matèria orgànica a partir de $\text{CO}_2$, explicant el paper de la cadena de transport electrònic en aquest procés.
3. c) Compara la fotosíntesi oxigènica i la quimiosíntesi nitrificant respecte al tipus de cèl·lules i taxons biològics que les duen a terme.

En un estudi amb plantes crassulàcies (CAM) mantingudes en un ambient àrid, es mesuren cada 4 hores al llarg del dia l'obertura estomàtica, el pH del suc vacuolar de les fulles i la concentració de malat.

1. a) A les 04:00 (nit), els estomes estan oberts i el pH foliar descendeix a 3,6 amb un màxim de malat; a les 14:00 (dia), els estomes estan tancats, el pH puja a 6,0 i el malat gairebé desapareix. Interpreta aquestes dades explicant la seqüència bioquímica que té lloc a la foscor i en les hores diürnes.
2. b) Si durant una nit càlida la capacitat d'emmagatzematge de malat als vacúols se satura a meitat de la nit, la fixació de $\text{CO}_2$ s'atura del tot fins a l'endemà. Justifica com aquest límit fisicoquímic explica la baixa taxa de creixement de les plantes CAM en comparació amb les plantes $\text{C}_3$.
3. c) Compara l'estratègia d'adaptació de les plantes CAM amb la de les plantes $\text{C}_4$ (com el blat de moro), explicant com aconsegueix cadascuna evitar la fotorespiració i en què es diferencien respecte al tipus de compartimentació (temporal enfront d'espacial) de la fixació del $\text{CO}_2$.