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NUTRICION Y METABOLISMO CELULAR
NUTRICION CELULAR
Es el conjunto de procesos por los cuales las células y los seres vivos toman nutrientes
del medio externo para transformarlos en su propia materia viva y realizar sus funciones
vitales.
Nutrientes. Sustancias que al ser incorporados a la célula, o a un organismo, cumplen
con las siguientes funciones:
Energéticas: Se transforman en energía (normalmente en forma de ATP) que es
utilizada para realizar trabajo celular (contracción muscular, transporte de sustancias
y de materiales celulares, etc).
Reguladores: Nutrientes que son utilizados para regular el metabolismo, por
ejemplo: Vitamina D el que es utilizado para regular el metabolismo de calcio.
Reposición de materiales: El principal ejemplo está constituido por las proteínas
los cuales son importantes para la síntesis de proteínas como enzimas, proteínas
transportadores, hormonas, etc.)
Tipos de nutrición:
- Autotrófica: Los organismos autótrofos toman nutrientes inorgánicos sencillos y
CO2 como única fuente de carbono para sintetizar la materia orgánica que necesitan.
Este proceso puede ser de dos tipos:
Fotolitotrofía: En las plantas y bacterias que realizan fotosíntesis, utilizando la
energía de la luz solar, dióxido de carbono y moléculas inorgánicas.
Quimiolitotrofía: En las bacterias del nitrógeno, bacterias del azufre, bacterias del
hierro, utilizando la energía de la oxidación de compuestos inorgánicos.
- Heterotrófica: Los organismos heterótrofos toman materia orgánica ya elaborada,
la degradan y luego sintetizan los materiales que necesitan. Este tipo de nutrición se
observa en los animales y en la mayor parte de bacterias.
Tipos de nutrición Tipos de organismos Fuente de energía Fuente de carbono
AUTOTROFICAFOTOLITOTROFOS Luz solar
CO2QUIMIOLITOTROFOS Reacciones de oxidación de
compuestos inorgánicos
HETEROTROFICA QUIMIO+
ORGANOTROFOS
Reacciones de oxidación de
compuestos orgánicos
Materia orgánica ya
elaborada
METABOLISMO CELULAR
Es la suma de todas las reacciones bioquímicas por las cuales la célula obtiene y utiliza
energía para realizar sus funciones y para mantenerse.
Comprende dos tipos:
Metabolismo degradativo: Es la degradación de la materia orgánica para la obtención de
energía. Se le conoce como Catabolismo.
Ejemplo: Glucólisis, degradación de la glucosa hasta ácido pirúvico. Glucogenólisis,
degradación del glucógeno hasta glucosa.
Respiración celular, degradación de la materia orgánica hasta CO2.
El catabolismo comprende mayormente reacciones de hidrólisis que liberan energía, por
ejemplo en la respiración celular, un mol de glucosa produce 36 ATPs.
Metabolismo de síntesis: Es la elaboración o síntesis de moléculas orgánicas complejas
a partir de moléculas más simples, utilizando energía. Se le conoce como Anabolismo.
Ejemplo: Síntesis de proteínas a partir de aminoácidos
Síntesis de glucógeno a partir de glucosa
Fotosíntesis
ENZIMAS
Definición: Proteínas globulares que actúan como biocatalizadores, es decir, aceleran
las reacciones químicas en los seres vivos sin modificarse. Al acelerarse las reacciones,
disminuyen la energía de activación y tiempo de reacción.
La energía necesaria para transformar un sustrato en producto se denomina Energía de
Activación.
El tiempo que demora en transformar un sustrato en productos se denomina Tiempo de
Reacción.
Se denomina sustrato a toda molécula sobre la que actúa una enzima.
CATALISIS
Aceleración de un cambio químico con un mínimo consumo de energía. Los
catalizadores físicos y químicos cumplen este propósito, siendo los más importantes los
catalizadores químicos. Un catalizador interviene en una reacción como reactante y
después de su acción forma parte de los productos, es decir no se consume en la
reacción.
La función catalítica se verifica en dos aspectos:
a. Disminución de la Energía de Activación
La energía de activación es la cantidad de energía necesaria para que los reactantes
inicien la formación de productos, los catalizadores disminuyen considerablemente
esta energía resultando un ahorro energético.
b. Disminución de Tiempo de Reacción
Una reacción con catalizador transcurre en un tiempo considerablemente menor al
de una reacción sin catalizador.
El mecanismo mediante el cual operan los catalizadores se explica por dos
fenómenos propios de los procesos químicos: la catálisis ácida y la catálisis básica.
En la catálisis ácida el catalizador actúa como donador de protones. Un reactante a
aceptar los protones adquiere el nivel energéticamente inestable propio del estado
activado.
En la catálisis básica, el catalizador tiene afinidad por protones. Un reactante al
perder protones adquiere el nivel energético correspondiente al estado activado.
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS
Poder Catalítico.- Capacidad de acelerar las reacciones metabólicas hasta un
factor de 108 veces más rápido que la reacción sin catalizador enzimático.
Especificidad. Las enzimas son altamente específicas por el sustrato y por el tipo
de reacción que catalizan llevando normalmente a la formación de un solo tipo
de producto a través de un solo tipo de reacción. Ejemplo: La enzima amilasa
salival actúa en la boca sólo sobre el almidón, que lo degrada hasta
oligosacáridos con un pH de 6. Esta enzima se inhibe en el estómago con un pH
de 2.
Además:
Pueden ser reutilizables
Son termolábiles: sensibles a variaciones extremas de temperatura, debido a su
naturaleza proteica. Actúan en condiciones óptimas de temperatura (de 40º C a
4ºC).
Cada enzima tiene un rango de pH específico.
Estructura enzimática
Las moléculas enzimáticas son proteínas globulares que presentan dos regiones de
estructuras especializadas: el sitio catalítico y el sitio regulador.
a. Sitio catalítico
Zona de la enzima que se une al sustrato y acelera su transformación, presenta:
Zona de fijación. Esta constituida por una serie de aminoácidos que permiten la
adhesión del sustrato.
Zona de catálisis: Secuencia específica de aminoácidos catalíticos que
interaccionan con el sustrato para que este pase al estado activado.
b. Sitio regulador
Porción molecular sujeta a modificaciones cuyas consecuencias son el aumento o
disminución de la capacidad de la enzima para unirse al sustrato.
Mecanismo de Acción:
En las reacciones catalizadas por las enzimas se distinguen las siguientes etapas:
reconocimiento, acoplamiento, acción catalítica y formación de productos.
a. Reconocimiento
La enzima y el sustrato a colisionar entre sí ponen en contacto algunos segmentos
moleculares. Si existe correspondencia sobreviene el acoplamiento.
b. Acoplamiento
Es la unión de la enzima con el sustrato. Se forma el complejo enzima – sustrato
(ES), llamado también complejo de Michaelis. Existen dos formas de explicar este
fenómeno.
Hipótesis de Fischer o llave cerradura. La enzima y el sustrato se unen sin
modificación alguna. Esta explicación es satisfactoria en el caso de moléculas de
estructura algo rígida, sin embargo, no explica cabalmente el acoplamiento de
moléculas más complejas.
Hipótesis de Koshland o encaje inducido. La enzima y el sustrato modifican su
conformación para acoplarse. La hipótesis de Koshland es mucho más aceptable
considerando las características moleculares de la enzima y el sustrato.
MODELOS DE ACOPLAMIENTO ENTRE MALTASA Y MALTOSA
c. Acción catalítica
Opera mediante la catálisis ácida o básica, es decir, los aminoácidos catalíticos
donan o aceptan protones del sustrato.
d. Formación y Liberación de Productos
Se produce la transformación en una o más sustancias. El producto o los productos
formados se separan de la enzima. La enzima libre está en condiciones de unirse a
otra molécula de sustrato.
Cofactores enzimáticos
Sustancias de naturaleza química diferentes a las proteínas que son requeridas por
algunas enzimas para que estas tengan actividad. Pueden ser inorgánicas u orgánicas.
Algunas enzimas requieren de ambos cofactores para su actividad.
La molécula enzimática sin cofactor se denomina apoenzima y como es obvio carece de
actividad.
Unida al cofactor es una holoenzima o enzima verdadera que sí tiene actividad
catalítica.
Factores que modifican la actividad enzimática
Por su naturaleza proteica las enzimas son sensibles a la temperatura y al pH. También
su actividad puede modificarse por otros factores.
a. Temperatura (T)
Toda enzima tiene una temperatura óptima de actividad. Las temperaturas menores
disminuyen la actividad por aumento de la rigidez molecular. Las temperaturas
mayores desnaturalizan la enzima.
b. Potencial Hidrogenión (pH)
Por valores de pH por encima o debajo de los valores normales disminuyen la
actividad catalítica de las enzimas
c. Concentración de sustrato (S)
La actividad de las enzimas se incrementa hasta la saturación de las moléculas,
después permanece constante.
d. Concentración de Enzima (E)
A mayor cantidad de enzima mayor actividad catalítica
e. Inhibidores
Son sustancias que se unen a las enzimas disminuyendo su actividad. Los
inhibidores pueden ser competitivos y no competitivos. Los competitivos son
semejantes al sustrato, ocupan el sitio catalítico e impiden la unión de la enzima al
sustrato. Su acción es reversible.
TIPOS DE COFACTORES
A. Inorgánicas
La mayoría son iones inorgánicos que ocupan un lugar en la molécula enzimática.
Los más comunes son: Mg++, Zn++, Cu++, Fe++, Mn++.
Pueden actuar estabilizando la unión de la enzima con el sustrato, como se da en la
enzima carboxipeptidasa.
B. Coenzimas
Son moléculas orgánicas en diversas estructuras esenciales para la actividad de la
enzima. En muchos casos estas moléculas participan en las reacciones de manera
semejante al sustrato. Son coenzimas: fosfatos de azúcares, CoASH, Pirofosfato de
Tiamina, Fosfato de piridoxal, biotina, ácido lipoico, NAD+, FMN, FAD+ y la
coenzima Q.
Las coenzimas más importantes que participan en el metabolismo a nivel celular son:
NAD: Nicotinamida Adenina Dinucleótido
NADP: Nicotinamida Adenina Dinocleótido Fosfato
FAD: Flavina Adenina Dinocleótido
Todas estas moléculas actúan como transportadoras de hidrógeno, experimentando la
reducción cuando gana electrones o hidrógeno.
Ejem. NADP + 2H+ + 2e- NADPH + H+
Y la oxidación cuando pierde electrones o hidrógeno
Ejem. NADPH + H+ NADP + 2H+ + 2e-
Clasificación (Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular)
a. Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de óxido – reducción. Ejemplo: Los citocromos son enzimas
que transportan electrones durante la respiración celular.
b. Transferasas
Participan en la transferencia de grupos químicos entre moléculas. Ejemplo: La
fosfotransferasa acopla un grupo fosfato de la ATP a la glucosa.
c. Hidrolasas
Catalizan reacciones de ruptura de moléculas con intervención de agua. Ejemplo: La
amilasa degrada el almidón en sus unidades de glucosa.
d. Liasas
Catalizan la formación de enlaces dobles. Ejemplo: La amilasa rompe a la fructosa
en dos moléculas de tres carbonos.
e. Isomerasas
Catalizan la transformación de una molécula en otra por cambio de disposición de
los átomos. Ejemplo:
f. Ligasas
Catalizan la unión de moléculas con formación de enlaces. Son comunes en los
procesos de síntesis. Ejemplo: La ADN ligasa une los fragmentos de Okasaki
durante la duplicación discontinua del ADN.
El nombre que toma una enzima depende del sustrato sobre el cual actúa, agregándole el
sufijo asa. Así tenemos:
Sustrato Enzima
Úrea Ureasa
Celulosa
Proteína
Maltosa
Sacarosa
Fosfolípido
Almidón
Péptido
Ceramida
Colágeno
Celulasa
Proteasa
Maltasa
Sacarasa
Fosfolipasa
Amilasa
Peptidasa
Ceramidasa
Colagenasa
ATP
La molécula energética más importante en el metabolismo celular es el ATP o Adenosin
trifostato formado por:
Los enlaces de alta energía (enlaces anhídrido fosfato) se localizan entre los fosfatos 3
con 2 y 2 con 1 (enlaces anhídrido fosfato) de gran inestabilidad. El ATP es la fuente
inmediata de energía y no sirve como almacén.
El ATP se produce a partir de la FOSFORILACION del ADP (Adenosin Difosfato) con
la incorporación de gran cantidad de energía.
La hidrólisis del ATP libera la misma cantidad de energía, lo cual es directamente
aprovechada por los organismos vivos en las funciones que la necesiten.
RESPIRACION CELULAR
I. IMPORTANCIA
Los organismos actuales en el planeta pueden dividirse en autótrofos y
heterótrofos. Los primeros pueden elaborar sus nutrientes y de allí obtienen
su energía por respiración celular; los heterótrofos (protozoarios – hongos,
la mayoría de bacterias y los animales) son incapaces de elaborar sus
nutrientes y se alimentan de nutrientes elaborados por los autótrofos y
aprovechan la energía también por el proceso de respiración celular.
Desde la aparición de la primera célula en nuestro planeta la respiración
celular es un proceso que permite a los organismos obtener energía útil a
partir de la degradación de los nutrientes. Indudablemente cada célula debe
abastecerse de una cantidad adecuada de nutrientes de acuerdo a la
actividad que desempeña. Las células con mayor actividad como las
neuronas, hepatocitos, células renales y musculares en actividad tienen
una alta tasa de respiración celular.
II. DEFINICIÓN
Es un proceso intracelular que incluye a un conjunto de reacciones
catabólicas encadena, en la cual las biomoléculas orgánicas energéticas
como los glúcidos y lípidos sufren la ruptura para transformarse en
biomoléculas inorgánicas más simples (H2O y CO2). Se libera energía. Una
parte se pierde como calor y la otra es trasferida finalmente a la formación
del ATP. El ATP es una molécula energética utilizada en el trasporte,
división, movimiento, etc.
III. LOCALIZACIÓN
Originalmente las primeras células del planeta carecían de organelas y
núcleos, por lo tanto, todas sus actividades acontecían en el citoplasma.
Actualmente todavía existen células sin organelas, núcleos, tales como las
bacterias y cianofitas. En estas células todo proceso de respiración celular
acontece en la membrana citoplasmática y el citoplasma. En células
eucarióticas (con organelas y núcleo) la respiración se realiza en la matriz
citoplasmática o vía de Embden – Meyerhoff y en las mitocondrias.
IV. ETAPAS
A. Etapa citoplasmática (glucólisis)
Se realiza en la parte soluble o citosol de la matriz citoplasmática. Dado
que la glucosa es la molécula energética, por excelencia, los inicios de
sus degradaciones en el citoplasma se denominan glucólisis.
En el citosol, la glucosa (GC) inicialmente es activada gastando la célula
2ATP. Posteriormente, en el proceso se generan 4ATP, es decir, de una
glucosa obtienen netamente apenas 2ATP. Simultáneamente durante la
degradación de la glucosa se liberan hidrógenos citoplasmáticos los
cuales son recolectados por la enzima NAD y se forma NADH+H*. En
este proceso se forman 2NADH+H a partir de 2NAD*.
NAD* + 2H NADH + H*
(oxidado) (recluido)
Finalmente la glucosa se convierte en dos moléculas de ácido piruvico
(C3).
El ácido piruvico es una molécula clave que puede seguir varios destinos
dependiendo de las condiciones en el citoplasma y el tipo de organismo,
en resumen puede seguir dos vías citoplasmáticas.
Etapas de la Glucólisis
1. Vía anaeróbica. Cuando hay escasez o ausencia
de O2 citoplasmático también se llama vía fermentativa, de la cual se
conocen dos formas.
Fermentación láctica. Ocurre, por ejemplo en el tejido muscular tras
ejercicios intensos donde los ácidos piruvicos son reducidos a ácidos
lácticos (C3) los cuales atraviesan fácilmente la membrana y pasan
hacia la sangre, de aquí una parte se pierde por la orina y otra parte
es llevada al hígado donde un cuerpo de enzimas que trabajan en
sentido inverso a la glucólisis lo transforman en glucosa
(gluconeogénesis), del hígado la glucosa va al músculo completando
un ciclo llamado Ciclo de Cori.
Fermentación alcohólica. Ocurre en levadura fernetadoras de vino,
pan, cerveza, etc; en las cuales el piruvato tras dos reacciones
consecutivas origina CO2 y etanol.
2. Vía aeróbica. Cuando hay consumo de oxígeno.
Probablemente se inicia cuando empezó a acumularse el O2 en el
planeta, como consecuencia de la fotosíntesis, esta posibilito una
mayor actividad de los organismos.
Los ácidos piruvicos generados en el citoplasma siguen el camino de ingreso a la
mitocondrias atravesando sus dos membranas para llegar a la cámara interna (en
forma de piruvatos).
B. Etapa mitocondrial (ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa)
1. Actividades en la cámara interna. Este espacio
contiene a un fluido coloidal llamado matriz mitocondrial en la cual se
haya enzimas encargadas de transformar al piruvato mediante dos
pasos importantes.
a) Descarboxilación y deshidrogenación del
piruvato. La descarboxilación consiste en que el piruvato pierde
un carbono en forma de CO2 y la deshidrogenación en que pierde
2H, los que son recolectados por el NAD* para transformarse en
NADH+H. El piruvato tras esos dos esos dos pasos se convierte
en acetilo (C2) e inmediatamente se acopla con la coenzima –A
(Co-A).
b) Descarboxilación y deshidrogenaciones del
acetilo en el “Ciclo de Krebs”. El acetilo es trasportado por la
coenzima-A al “Ciclo de Krebs”, donde es recepcionado por el
oxalacetano (C4) que se convierte al recibir acetilo (C”) en el
citrato (C6).
El citrato es atacado por las enzimas del ciclo que le retiran
secuencialmente dos carbones en su forma de CO2
(descarboxilación) y 8 pares de H (deshidrogenación), lo que son
recolectados por 3NAD y 1FAD, en el ciclo también se forma 1
GTP. Finalmente el citrato ha logrado reconvertirse en el ciclo a la
molécula inicial oxalacetano, reiniciando el ciclo. Los productos
del ciclo son:2CO2, 8H y 1GTP; los 8H son colectados por
3NADH+H y 1FADH2 respectivamente, los cuales marchan con
destino a la superficie de la membrana mitocondrial interna.
( GTP = ATP )
2. Actividades en la membrana interna. Cuando el
NADH+H o 1FADH2 se acercan a la membrana, esta sufre la pérdida
de los hidrógenos.
Los hidrógenos en la superficie de la membrana se descomponen en
H* (protones) y e- (electrones) los H+ pasan a la cámara externa
mientras que los e- saltan hacia la superficie interna de la membrana
interna, donde son recibidos por complejos proteicos, conformando la
cadena trasportadora de e- donde sus componentes mas importantes
son los citocromos: proteínas que contienen hierro (fe). Los
electrones van saltando de transportador en transportador y este flujo
de e- genera un potencial electrónico que sirve para introducir H+ de
la cámara interna a la cámara externa; los e- llegan hasta el último
transportador y de allí se unen al O2 (aceptor final de e-). Los
protones que pasaron a la cámara externa se han acumulado y
generado un potencial químico. El regreso violento de los protones
desde la cámara externa a la cámara interna desprende energía y la
formación de ATP al proceso se denomina fosforilación oxidativa. La
enzima implicada se denomina ATP sintetasa a ATPasa. Aquí se
logra ganar 32 ATP (o 34).
ESQUEMA GENERAL DE LA RESPIRACIÓN CELULAR
NOTA:
El NADH2 citosólico ingresa a la cresta mitocondrial mediante
lanzaderas que son:
1. LANZADERA MALATO ASPARTATO: Lo introduce como
2NADH2 produciendo 6ATP. Al final de la respiración, por cada
glucosa se produce 38ATP.
LANZADERA GLICEROL 3-FOSFATO: Lo introduce como 2FADH2
produciendo 4ATP. Al final, por cada glucosa se produce 36 ATP.
RESPIRACION
MATERIAL DE APOYO
La mayor parte de la energía que usa la célula es provista por el ATP
Las células necesitan energía para realizar los siguientes trabajos
1. Sintetizar y degradar moléculas.
2. Transportar solutos en contra de gradientes electroquímicos a través de
sus membranas (transporte activo)
3. Incorpora macromoléculas y partículas desde el exterior (endocitosis).
4. Secretar macromoléculas al medio extracelulares (exocitosis).
5. Trasladarse (migración celular) o contraerse (las células musculares).
6. Desplazar sus propios componentes (organoides, macromoleculares,
etc).
7. Multiplicarse (mitosis, meiosis).
8. Recibir señales del exterior y conducirlos hasta los sitios celulares
adecuados.
Respiración anaeróbica
Es la oxidación de la materia orgánica hasta dióxido de carbono en ausencia de oxígeno.
Este proceso catabólico es utilizado principalmente por bacterias anaeróbicas que viven
en ausencia de oxígeno. Las moléculas aceptoras de electrones son distintas al oxígeno,
tales como el ión sulfato (SO2-4), el ión nitrato NO3-
0 el CO2 Los productos finales
pueden ser moléculas reducidas diferentes del agua como el sulfuro de hidrógeno (H2S),
el ión nitrito (NO2-), el nitrógeno (N2) o el metano (CH4), respectivamente. La síntesis
neta de ATP a través de este proceso es variable pero siempre inferior a la obtenida por
respiración aeróbica.
FERMENTACION
Es un proceso catabólico en el que una molécula orgánica se oxida parcialmente, ocurre
en ausencia de oxígeno y no está asociado a una cadena transportadora de electrones a
nivel de membrana. En la fermentación la molécula orgánica actúa a la vez como
donadora y aceptora de electrones. Las fermentaciones son propias de los
microorganismos que pueden crecer en ausencia de oxígeno. A nivel de las neuronas y
en los tejidos musculares de los animales también puede realizarse fermentación láctica
cuando no llega suficiente oxígeno.
Con referencia a la glucosa, la fermentación se lleva a cabo siguiendo la glucólisis, es
decir, se oxida hasta la obtención de ácido pirúvico, sin embargo, a diferencias de la
respiración, el proceso oxidativo termina aquí y el NADH producido hasta esta etapa
transfiere sus electrones al piruvato o un derivado de éste, reduciéndolo. La oxidación
parcial de la glucosa y la diferente ruta de los electrones, no asociada a la cadena
transportadora de electrones, ni a la fosforilación oxidativa, reduce la ganancia neta de
ATP que se puede obtener a través de la fermentación. Los productos finales
normalmente caracterizan los diversos tipos de fermentación existentes, por ejemplo,
fermentación láctica, alcohólica, butírica, propiónica, etc.
a. Fermentación láctica. Ocurre en células musculares y nerviosas, en bacterias y
algunos hongos. En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico de la glucólisis es
reducido por NADH para producir ácido láctico. La ganancia neta de energía es de 2
ATP.
Los lactobacilos son bacterias que realizan este proceso para obtener derivados de la
leche, como yogur y quesos.
b. Fermentación alcohólica. Ocurre en bacterias, hongos filamentosos y hongos
unicelulares (leva-duras). El ácido pirúvico es descarboxilado para formar
acetaldehído, el cual es reducido por el NADH para producir alcohol etílico. La
ganancia neta de energía es de 2 ATP.
Las levaduras del género Saccharomyces son las que realizan este proceso para la
producción industrial de cerveza, ron, whisky, sidra, vino, y pan.
FOTOSINTESIS
DEFINICION:
Proceso metabólico mediante el cual la luz aporta energía que es utilizada en la
elaboración de moléculas orgánicas.
La energía luminosa es transformada en energía química. Si en el proceso se libera
oxígeno como ocurre en la splantas y algas se denomina oxigénica, pero si no se libera
oxígeno es anoxigénica como ocurre en las fotobacterias.
IMPORTANCIA
La fotosíntesis es el mecanismo principal mediante el cual se elaboran moléculas
orgánicas y se inicia la cadena alimenticia en los ecosistemas.
La fotosíntesis oxigénica aporta O2 a la atmósfera y favorece la regeneración de la capa
de ozono.
Fotosíntesis Oxigénica
Localización
Las plantas llevan a cabo la fotosíntesis en tallos y hojas verdes que constituyen los
órganos fotosintéticos típicos.
En estos órganos se localiza el parénquima clorofiliano, constituido de células con
abundantes cloroplastos, estas son organelas fotosintéticas que contiene los pigmentos
fijadores de la luz y las enzimas requeridas en el proceso.
Las algas eucarióticas unicelulares poseen cloroplastos, y las algas pluricelulares
presentan un tejido primitivo, dominado plecténquima, en cuyas células ocurre la
fotosíntesis en plastidios conocidos como rodoplastos en algas rojas, feoplastos en
algas pardas o cloroplastos en algas verdes.
Unidad fotosintética
Los pigmentos integrados en la membrana asociados a proteínas constituye la unidad
fotosintética denominada cuantosoma, localizada en los tilacoides del cloroplasto.
El pigmentos más importante es la clorofila, mientras que los demás actúan como
pigmentos auxiliares. La característica molecular que le permite absorber la luz es la
distribución de sus electrones en pares de manera alternada (resonancia) y en el caso de
la clorofila, el Mg+2 (magnesio) como ión central de la molécula.
En el cuantosoma también existe la partícula F también conocida como ATP asa o ATP
sintetasas que sintetiza ATP.
Los pigmentos antena en las algas son las ficobilinas (tetrapirrotes de cadena abierta)
Ficoeritrina (roja), y/o Ficocianina (azul). En las plantas superiores son los carotenoides
(moléculas hidrocarbonadas lipídicas), caroteno (anaranjado), xantofila (amarillo).
El cuantosoma presenta dos fotosistemas (psI, psII) con pigmentos P700 y P680
respectivamente, es decir, clorofilas a excitables con fotones de luz. En el fotosistema II
existe una proteína encargada de la ruptura del agua llamada proteína Z.
Entre los dos fotosistemas se encuentra una cadena transportadora de electrones
formada principalmente de proteínas tales como las plastoquinonas, los citocromos b-f,
la plastocianina y la Ferredoxina.
ETAPAS DE LA FOTOSINTESIS OXIGENICA
Etapa luminosa
Ocurre en las membranas de los tilacoides donde están localizados los cuantosomas. Se
llevan a cabo los siguientes eventos:
Fotoexitación. La luz es absorbida por los pigmentos, desencadena la excitación
electrónica molecular y la pérdida de electrones por las clorofilas.
Fotólisis del agua. La energía absorbida provoca la ruptura de las moléculas de agua,
como consecuencia que libera oxígeno molecular (O2), electrones (2e-) y protones (2H+)
hacia el interior del tilacoide. En este proceso participa la proteína Z que contiene un ión
de Manganeso (Mn).
Fotofosforilación: La acumulación de protones en el espacio intratilacoidal y el
transporte de electrones genera una gradiente (diferencia) de concentración y carga
entre el tilacoide y el estroma. Como consecuencia se sintetiza ATP por poarte de la
ATP sintelasa.
Elementos que intervienen : Luz, clorofila y H2OProductos : ATP, NADPH (poder reductor), O2.
H2O 2H+ + 2e- + ½ O2
Transporte de electrones y fotoreducción. Los electrones liberados del agua son
transferidos a través de la cadena transportadora de electrones hacia el NADP+ que
como consecuencia se reduce (el NADP+ gana electrones) en NADP-, luego acepta
protones (2H+) originando NADPH + H+.
La etapa luminosa transforma la energía luminosa en energía química, proceso que se
evidencia en la síntesis de ATP. Según las investigaciones se ha establecido que por
cada O2 liberado se genera 3 ATP, de los cuales 2 se elaboran en la secuencia lineal
mientras el tercero es sintetizado en un proceso cíclico de flujo de protones y electrones
llamado Fotofosfoliración Cíclica. Proporcionalmente se forman también 2NADPH+H+.
Etapa oscura
Denominado Ciclo de Calvin – Benson: Ocurre en el estroma. Es aquella en la cual se
utilizan los productos de la etapa luminosa (ATP y NADPH+ + H+) y con la
incorporación de CO2 se sintetizan azúcares.
Comprende los siguientes procesos:
Fijación de CO2. Moléculas de ribulosa difosfato captan el CO2 de la atmósfera,
participa la enzima ribulosa carboxilasa. Inicialmente se forman moléculas de C6
ADP + Pi ATP
NADP + 2H+ + 2e- NADPH
inestables que se rompen en unidades de C3 denominadas fosfopliceratos. (6
moléculas de ribulosa – 1 – 5 – bifosfato reaccionan con 6 moléculas de CO2)
carboxilación.
Reducción. Las moléculas de fosfoglicerato son transformadas hasta
fosfogliceraldehído. El proceso incorpora protones y electrones, bajo la forma de H,
provenientes del NADPH+ + H+ consumiendo energía proporcionada por ATP.
Síntesis de glucosa. Doce fosfogliceraldehídos mediante una serie de reacciones dan
origen a la fructosa que por isomeración (cambio de conformación molecular) es
transformada glucosa. Los carbonos restantes son transformados hasta ribulosa
fosfato.
Reactivación de la ribulosa o regenración. Las moléculas de ribulosa reaccionan con
ATP para generar ribulosa difosfato que actúa como fijador del CO2.
Las moléculas de glucosa elaboradas tienen tres destinos:
- Se utilizan como fuente de energía o para la síntesis de moléculas estructurales
- Son almacenadas en el mismo lugar de la síntesis como almidón
- Son transportadas a otros órganos vegetales para su uso o almacén
Las moléculas de glucosa elaboradas tienen 3 destinos:
Como fuente de energía, para lo cual son derivados desde el cloroplastos
Para la síntesis de moléculas estructurales (celulosa y hemicelulosa)
Son almacenadas en forma de alimentos.
La intensidad de la fotosíntesis se puede medir en función del consumo de CO2 o de la
producción de oxígeno: es baja en las primeras horas del día, hacia el mediodía alcanza
sus mayores valores y decrece hacia el atardecer.
Modificaciones de la Fotosíntesis Oxigénica
Plantas C4
CO2
ATPNADPH2
luz agua
clorofilaNecesita
_____O2Elimina
glucosaATP
NADPH2
Produce
estromatilacoideUbicación
Fase oscuraFase luminosa
CO2
ATPNADPH2
luz agua
clorofilaNecesita
_____O2Elimina
glucosaATP
NADPH2
Produce
estromatilacoideUbicación
Fase oscuraFase luminosa
El CO2 antes de incorporarse al Ciclo de Calvin se transforma en un compuesto de C4
el oxalacetato, que se acumula de ahí vuelve a las células del mesófilo.
La etapa inicial de fijación de CO2 y su liberación posterior son denominadas CICLO
DE HATCH SLACK. Son plantas C4 las gramíneas de crecimiento rápido.
Plantas CAM (Metabolismo ácido de Crasuláceas)
Son plantas adaptadas para la vida en los climas secos: por lo cual la incorporación de
CO2 solo ocurre en la noche y el CO2 se transforma hasta en compuestos de C4 (ácidos)
que se acumulan en la vacuola, en el día los estomas están cerrados y el CO 2 se utiliza
en el Ciclo de Calvin.
Fotosíntesis Anoxigénica
Es la actividad sintética bacteriana en la que se utiliza como donador de hidrógeno al
H2S u otro compuesto, menos el agua, por lo que no libera oxígeno. Ejemplo. Bacterias
sulfurosas:
I2H2S + 6CO2 C6H12O6 + 6H2O + I2S
Las bacterias que realizan fotosíntesis son llamdas fotobacterias pueden ser verdes (con
bacterioclorofila) o púrpuras (con bacteriorodposina), realizan la fase luminosa en
cuantosomas que solo tienen fotosistema I. Los cuantosomas se localizan en laminillas
fotosintéticas. La fase oscura la realizan en el citoplasma.
CUADROS RESUMEN
NUTRIENTES (TIPOS) USOS EJEMPLOS
Energéticos Fuente de energía Glúcidos, ácidos grasos
Reguladores Metabolismo, coordinación Vitaminas, esteroides,
aminoácidos
De reposición Formación de estructuras Proteínas, lípidos
TIPOS DE
NUTRICION
TIPO DE ORGANISMO FUENTE DE
ENERGIA
FUENTE DE
CARBONO
LuzClorofila
AUTOTRÓFICA
FOTOLITÓTROFOS
(Ejem. Plantas, algas)
Luz solar
CO2QUIMIOLITÓTROFOS
(Ejm. Bacterias del hierro,
azufre)
Reacciones de oxidación
de moléculas inorgánicas
HETEROTRÓFICA
QUIMIOORGANOTROFOS
(Ejm. Hongos, animales,
protozoarios)
Reacciones de oxidación
de moléculas orgánicas
Materia orgánica
elaborada
Enzimas: Mayormente son proteínas
PropiedadesEjemplos
Pepsina Lipasa
Especialidad Jugo gástrico Jugo pancreático
Poder catalítico Sobre proteínas Sobre triglicéridos
Reutilizables Sí Sí
Termolábiles Sí Sí
pH específico Ácido Alcalino
Disminuye energía de
activación
Sí Sí
RESPIRACION
Tipos Etapas Requerimiento Ocurre en ProductosTipo de
Organismo
Aeróbica con
O2
a. Glucólisis Glucosa Citosol 2 Piruvato
2NADH
2ATP
Eucariotas y
bacterias
b. Formación de
Acetil CoA
Piruvato CoA Matriz
mitocondrial
CO2
NADH
Acetil CoA
c. Ciclo de
Krebs
Acetil CoA otros
componentes
Matriz
mitocondrial
CO2
3 NADH
1 FADH2
ATP
d. Fosforilación
Oxidativa
Coenzimas
reducidas
(NADH,
Cresta
mitocondrial
ATP
NAD
FADH2) O2 FAD
H2O
Anaeróbica
Sin O2
CO2
NO3
-2
SO4
CH4
NO2
S-2
Eubacterias
Arqueobacterias
Fermentación
Sin O2
Láctica
Piruvato de la
glucólisis
Citosol Ácido
láctico
Lactobacilos,
algunos hongos,
Células
musculares
nerviosas
Alcohólica
Piruvato de la
glucólisis
Citosol Etanol Bacterias,
hongos
filamentos,
levaduras
FOTOSINTESIS
Tipos Etapas Requerimiento Ocurre en ProductosTipo de
Organismo
Aeróbica con
O2
1.
Fotooxidación
Energía solar
Clorofila
Membranas
del
Tilacoide
2 electrones
Clorofila
Oxidada
Plantas, algas y
bacterias de
fotosíntesis (no
tienen
cloroplastos)
2. Fotosíntesis
del agua
Agua
Energía Solar
2 electrones
2H+
½ O2
3. Síntesis de
ATP
ADP
Pi
Electrones
Proteínas
Transportadoras
ATP
4. Formación de
NADPH
NADP
H+
NADPH
Fase oscura
(Ciclo de
Calvin)
1.Carboxilación 6CO2
6 Ribulosa 1,5 P
12
Fosfoglicerato
(3C)
2. Reducción Fosfoglicerato
NADPH
ATP
3. Síntesis 12
Gliceraldehído
Estroma -3P
(2 de ellos
forman una
molécula de
glucosa)
4. Regeneración 6 Ribulosa 1,5-
BP
8. PRUEBA DE COMPROBACION
Completar:
1. Una coenzima se puede definir como ……………………………………………… y
la más conocidas son ………………………………………….., cuya función es
……………………………………………………………..
2. La fase luminada de la fotosíntesis ocurre en …………………. y la fase oscura en
…………………………………………
3. En los cloroplastos se realiza la ……………………………… mientras que en las
mitocondrias ocurre ……………………………………………..
4. Mencione las principales características de las enzimas
………………………………………………………………………………………
5. La síntesis de C6H12O6, requiere de ……….. y ………. Que son productos finales
de ………………………………..
6. La mayor cantidad de energía liberada en forma de ATP, se obtiene a través del
proceso catabólico denominado ……………………………………………………..
7. Una semejanza entre la fermentación y la respiración anaeróbica es ………………...
…………………………………… y una diferencia entre ellas es …………………..
8. En ausencia de un aceptor externo de electrones durante la fermentación ,los
electrones del NADH son transferidos a ………………………………………………...
9. El principal producto de la fosforilacion oxidativa es……............................................
10. En el ciclo de krebs la reaccion del acetil coa con el ………………………forma
………………………., luego de varias oxidaciones sucesivas con producion de co2, y
NADH, se regeneran el …………………para que continue el ciclo.
