BLOQUE II. Metabolismo. Glicólisis. Anabolismo. Catabolismo. Balance energético.
1. ¿De dónde procede el acetil-CoA con el que se inicia el Ciclo de Krebs?
El Acetil-CoA es un metabolito intermedio que se forma cuando el Ácido Pirúvico de 3 átomos de C (producto final de la Glucólisis) entra al espacio intermembranoso de las mitocondrias, es decir, la cámara externa comprendida entre las dos membranas biológicas. Gracias a la acción de un primer Complejo Multienzimático, la Pirúvico descarboxilasa "Descarboxila"(quita una molécula de CO2 del Ácido Pirúvico) convierte al ácido pirúvico en grupos o radicales acetilos de 2 átomos de C. Posteriormente se une a estos radicales acetilos la CoA formando Acetil-CoA.
La reducción del ácido pirúvico en Radicales Acetilos que posteriormente se combinan con la CoA formando Acetil-CoA se realiza en la "Cámara externa de las mitocondrias o espacio intermembranoso".
Al ingresar en la Matríz mitocondrial (Ciclo de Krebs) la Acetil-CoA se combina con el Ácido Oxalacético de 4 átomos de C formando Ácido Cítrico de 6 átomos de C.
La reducción del ácido pirúvico en Acetil-CoA es el "Eslabón común que une Glicólisis con el Ciclo de Krebs".
El acetil-CoA es el metabolito de conexión de todas las rutas catabólicas: oxidación de glúcidos, lípidos y proteinas:
El Acetil-CoA es un metabolito intermedio que se forma cuando el Ácido Pirúvico de 3 átomos de C (producto final de la Glucólisis) entra al espacio intermembranoso de las mitocondrias, es decir, la cámara externa comprendida entre las dos membranas biológicas. Gracias a la acción de un primer Complejo Multienzimático, la Pirúvico descarboxilasa "Descarboxila"(quita una molécula de CO2 del Ácido Pirúvico) convierte al ácido pirúvico en grupos o radicales acetilos de 2 átomos de C. Posteriormente se une a estos radicales acetilos la CoA formando Acetil-CoA.
La reducción del ácido pirúvico en Radicales Acetilos que posteriormente se combinan con la CoA formando Acetil-CoA se realiza en la "Cámara externa de las mitocondrias o espacio intermembranoso".
Al ingresar en la Matríz mitocondrial (Ciclo de Krebs) la Acetil-CoA se combina con el Ácido Oxalacético de 4 átomos de C formando Ácido Cítrico de 6 átomos de C.
La reducción del ácido pirúvico en Acetil-CoA es el "Eslabón común que une Glicólisis con el Ciclo de Krebs".
El acetil-CoA es el metabolito de conexión de todas las rutas catabólicas: oxidación de glúcidos, lípidos y proteinas:
2. Define qué son procesos catabólicos y anabólicos. Pon algún ejemplo de cada proceso.
Catabolismo: es el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas muy reducidas y cargadas de energía, las cuales al romper sus enlaces liberan energía (reacciones exergónicas) y permiten formar ATP y compuestos inorgánicos sencillos. Ejemplo: catabolismo de la glucosa (glicólisis, oxidación del pirúvico, Ciclo de Krebs, cadena respiratoria y fosforilación oxidativa).
Anabolismo: es el metabolismo de síntesis de compuestos orgánicos complejos que requieren energía suministrada por el ATP obtenido en los procesos catabólicos (anabolismo heterótrofo) o la fuente primaria de energía (solar, reacciones redox), del medio (anabolismo autótrofo). Ejemplo: Gluconeogénesis, biosíntesis de proteinas, síntesis de ácidos grasos.
Anabolismo: es el metabolismo de síntesis de compuestos orgánicos complejos que requieren energía suministrada por el ATP obtenido en los procesos catabólicos (anabolismo heterótrofo) o la fuente primaria de energía (solar, reacciones redox), del medio (anabolismo autótrofo). Ejemplo: Gluconeogénesis, biosíntesis de proteinas, síntesis de ácidos grasos.
2. En el siguiente esquema se representan algunas vías metabólicas de la glucosa.
¿Qué procesos están representados?
1. Glucogenogénesis.
2. Glucogenolisis.
3. Fermentación láctica.
4. Respiración aerobia (Ciclo de Krebs y cadena respiratoria).
5. Respiración aerobia (glucólisis, Ciclo de Krebs y cadena respiratoria).
2. Glucogenolisis.
3. Fermentación láctica.
4. Respiración aerobia (Ciclo de Krebs y cadena respiratoria).
5. Respiración aerobia (glucólisis, Ciclo de Krebs y cadena respiratoria).
Anabólicos: 1. Catabólicos: 2, 3, 4 y 5.
¿Cuáles son las diferencias principales entre la ruta 4 y 5?
La ruta 4 ocurre en condiciones aerobias. El pirúvico entra en el ciclo de Krebs y continúa su oxidación hasta CO2. El último aceptor de los electrones es, en este caso, el oxígeno, y se obtiene el máximo rendimiento energético debido a la oxidación total de la molécula de glucosa: 38 ATP.
Cuando no hay aporte de oxígeno se da la ruta 3, el ácido pirúvico es reducido y no se libera toda la energía contenida en la molécula de glucosa, ya que el último aceptor de los electrones es un compuesto orgánico. El rendimiento energético neto es de 2 ATP.
La primera fase del proceso, la glicólisis, es común a ambas y se produce en el citoplasma en condiciones anaerobias.
Define qué son procesos catabólicos y anabólicos. Pon algún ejemplo de cada proceso.
En los seres vivos hay dos tipos principales de procesos metabólicos, como dos caminos diferentes; en uno se construye y en el otro se destruye, se degrada.
Estos procesos se llaman anabolismo y catabolismo, y están relacionados entre sí.
Estos procesos se llaman anabolismo y catabolismo, y están relacionados entre sí.
Los procesos anabólicos son procesos metabólicos de construcción, en los que se obtienen moléculas grandes a partir de otras más pequeñas. En estos procesos se consume energía. Los seres vivos utilizan estas reacciones para formar, por ejemplo, proteínas a partir de aminoácidos. Mediante los procesos anabólicos se crean las moléculas necesarias para formar nuevas células.
Los procesos catabólicos son procesos metabólicos de degradación, en los que las moléculas grandes, que proceden de los alimentos o de las propias reservas del organismo, se transforman en otras más pequeñas. En los procesos catabólicos se produce energía. Una parte de esta energía no es utilizada directamente por las células, sino que se almacena formando unas moléculas especiales. Estas moléculas contienen mucha energía y se utilizan cuando el organismo las necesita. En el catabolismo se produce, por ejemplo, la energía que tus células musculares utilizan para contraerse, la que se emplea para mantener la temperatura de tu cuerpo, o la que se consume en los procesos anabólicos.
3. ¿Qué es la glicólisis?. ¿Cuál es su localización intracelular?
La glucólisis o glicólisis (del griego glycos, azúcar y lysis, ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa en condiciones anaeróbias con la finalidad de obtener energía para la célula. Consiste en 10 reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa en dos moléculas de piruvato, el cual es capaz de seguir otras vías metabólicas y así continuar entregando energía al organismo. También se la conoce como vía de Embden-Meyerhof.
Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH; el ATP puede ser usado como fuente de energía para realizar trabajo metabólico, mientras que el NADH puede tener diferentes destinos. Puede usarse como fuente de poder reductor en reacciones anabólicas; si hay oxígeno, puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose cuatro ATPs (dos por cada NADH); si no hay oxígeno, se usa para reducir el piruvato a lactato (fermentación láctica), o a CO2 y etanol (fermentación alcohólica), sin obtención adicional de energía.
La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a la cual se recurre.
La glucólisis es una de las vías más estudiadas, y generalmente se encuentra dividida en dos fases: la primera, de gasto de energía y la segunda fase, de obtención de energía.
La primera fase consiste en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehido (una molécula de baja energía) mediante el uso de 2 ATP. Esto permite duplicar los resultados de la segunda fase de obtención energética.
En la segunda fase, el gliceraldehido se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehido, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos moléculas de piruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
En la segunda fase, el gliceraldehido se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP, y como se generaron 2 moléculas de gliceraldehido, se obtienen en realidad dos moléculas de ATP. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando dos moléculas de piruvato. De esta manera, en la segunda fase se obtienen 4 moléculas de ATP.
4. ¿Qué és una fermentación?. Indica la localización intracelular de los procesos fermentativos.
Cuando el catabolismo ocurre en condiciones anaerobias, es decir, cuando el último aceptor no es el oxígeno sino una molécula orgánica simple, la ruta de degradación de la glucosa se denomina fermentación.
En los organismos pluricelulares, pueden darse rutas aerobias o anaerobias dependiendo de las condiciones en las que se encuentre la célula. Existen dos tipos, la etílica y la láctica, y ambas se llevan a cabo en el citosol.
La fermentación alcohólica se produce a partir d'una molècula de glucosa dos de etanol, dos de dióxido de carbono i dos moléculas de ATP.
La fermentación etílica (alcohólica) tiene un gran interés industrial porque produce pan y bebidas alcohólicas gracias a bacterias como el Saccharomyces cerevesiae cuando actúa sobre los azúcares de la uva. El vino, independientemente del color de la uva, es de color blanco. Los vinos negros se obtienen fermentando también la piel de la uva negra.
Algunas bacterias homofermentativas llevan a cabo fermentaciones lácticas que producen alimentos lácticos de consumo habitual como los quesos, yogures, etc. a partir del azúcar (lactosa) de la leche. Las bacterias más utilizadas son de los géneros Streptococus, Lactobacillus, etc. que hacen descender el pH, proceso que desnaturaliza las proteínas formando la cuajada.
A partir de la cuajada se fabrica el queso, que fermenta por acción de bacterias y hongos del género Penicillium, que hidrolizan las proteínas liberando distintos tipos de aminoácidos.
El yogur es producido por bacterias de las mencionadas anteriormente.
Todos estos productos tienen gran interés económico e industrial.
En los organismos pluricelulares, pueden darse rutas aerobias o anaerobias dependiendo de las condiciones en las que se encuentre la célula. Existen dos tipos, la etílica y la láctica, y ambas se llevan a cabo en el citosol.
Otros productos alcohólicos son la cerveza, el sake obtenido de la fermentación del hongo Aspergillus. El pan es un amasado de harina de trigo, arroz, maíz, sal y levaduras. Las levaduras fermentan el almidón. El dióxido de carbono que resulta de la fermentación queda atrapado entre la masa, produciendo la masa hueca del pan. El alcohol etílico producido, se volatiliza durante la cocción.
La fermentación láctica se produce a partir de una molécula de glucosa, dos de ácido láctico y dos moléculas de ATP.
A partir de la cuajada se fabrica el queso, que fermenta por acción de bacterias y hongos del género Penicillium, que hidrolizan las proteínas liberando distintos tipos de aminoácidos.
El yogur es producido por bacterias de las mencionadas anteriormente.
Todos estos productos tienen gran interés económico e industrial.
6. Compara el metabolismo autótrofo y el metabolismo heterótrofo.
Metabolismo autótrofo: Se consideran organismos autótrofos aquellos que son capaces de sintetizar moléculas orgánicas a partir de la energía de los fotones de la radiación luminosa (fotoautótrofos) o de la energía de enlace contenida en las moléculas inorgánicas (quimiautótrofos) a partir de compuestos inorgánicos simples como CO2, agua y sales minerales.
Metabolismo heterótrofo: Los organismos heterótrofos son aquellos que obtienen la energía de la rotura de enlaces de las moléculas orgánicas, que constituyen su alimento, las cuales son transformadas en productos inorgánicos u orgánicos más sencillos.
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se produce en el interior de las células y que conduce a la transformación de unas biomoléculas en otras. Todas las reacciones metabólicas están reguladas por enzimas específicos.
Metabolismo heterótrofo: Los organismos heterótrofos son aquellos que obtienen la energía de la rotura de enlaces de las moléculas orgánicas, que constituyen su alimento, las cuales son transformadas en productos inorgánicos u orgánicos más sencillos.
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se produce en el interior de las células y que conduce a la transformación de unas biomoléculas en otras. Todas las reacciones metabólicas están reguladas por enzimas específicos.
Metabolismo autótrofo
Metabolismo heterótrofo
7. ¿Qué proceso metabólico se representa en la imagen?. ¿En qué condiciones se da?. ¿En qué lugar de la célula ocurre?. ¿De dónde procede el ácido pirúvico?. Cita usos industriales de este proceso.
Este proceso metabólico es la fermentación alcohólica.
Se da en condiciones anaerobias.
Ocurre en el citoplasma.
El ácido pirúvico procede de la degradación de la glucosa, es decir, de la glucólisis.
Sus usos industriales son, principalmente, la elaboración de pan y de bebidas alcohólicas.
8. Relaciona estos procesos metabólicos con la estructura celular en la que ocurren.
Ensamblaje del ARNr y proteínas ribosomales nucleolo Glicólisis citosol
Beta oxidación de los ácidos grasos matriz mitocondrial
Reducción CO2 atmosférico estroma cloroplasto
Glucosilación de proteínas aparato de Golgi
Fosforilación oxidativa membrana interna mitocondrial
Oxidación del ácido pirúvico a CO2 peroxisoma
Reparación del ADN nucleoplasma
9. Define organismo aerobio y organismo anaerobio y pon un ejemplo de cada uno.
10. ¿Qué es el ATP?. Explica su estructura e indica algunos procesos en los que esta molécula es imprescindible.
El trifosfato de adenosina (adenosin trifosfato), es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato.
11. ¿Qué ruta metabólica se representa en la imagen?. ¿Se trata de una ruta anabólica o catabólica?. Razona la respuesta. ¿De dónde proceden el ATP y el NADPH?
13. Nombra y explica la clasificación de los seres vivos según la naturaleza química de la materia y la fuente de energía que utilizan en su metabolismo (5 puntos).
El alumno hará referencia a los dos tipos de metabolismo: autótrofo y heterótrofo. Los autótrofos utilizan como fuente de materia sustancias inorgánicas para construir biomoléculas orgánicas. Según la fuente de energía, los autótrofos son:
El alumno responderá:
15. En relación a la imagen: a) ¿Qué procesos representa? b) ¿En qué orgánulo celular se producen? c) ¿En qué condiciones se dan? d) ¿A qué sustancias corresponden las letras A, B, C y D? (4 puntos).
El alumno responderá que: a) Se trata de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. b y c) Se produce en la mitocondria en presencia de oxígeno. d) La letra A corresponde a NADH, B corresponde a NAD+ , C es oxígeno molecular y D agua.
16. Define anabolismo y catabolismo citando un ejemplo de cada uno. ¿Cómo se clasifican los organismos según su forma de obtener carbono y la fuente de energía que utilizan? (4 puntos).
El alumno definirá anabolismo como procesos de biosíntesis que requieren energía (por ejemplo gluconeogénesis, ciclo de Calvin, etc.) y catabolismo como procesos de degradación que liberan energía (glucólisis, β-oxidación, etc.). Los organismos pueden ser autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos utilizan como fuente de materia sustancias inorgánicas para construir biomoléculas orgánicas. Según la fuente de energía, los autótrofos son: fotosintéticos (fuente de energía la luz solar y fuente de carbono el CO2) o quimiosintéticos (fuente de energía la materia inorgánica). Los seres vivos heterótrofos utilizan como fuente de materia sustancias orgánicas que contienen la energía disponible en sus enlaces
17. Explica la diferencia entre fotosíntesis y quimiosíntesis (2 puntos).
En la fotosíntesis la fuente de energía es la luz y en la quimiosíntesis la energía se obtiene de la oxidación de moléculas inorgánicas.
1.- Señala las principales diferencias entre catabolismo y anabolismo.
El anabolismo y el catabolismo constituyen los dos tipos de procesos que se dan en el metabolismo; las principales diferencias que presentan son las siguientes: El catabolismo es la fase destructiva del metabolismo. Comprende las reacciones metabólicas mediante las cuales moléculas orgánicas más o menos complejas se degradan, transformándose en otras moléculas más sencillas. El anabolismo es, por el contrario, la fase constructiva del metabolismo; comprende las reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de moléculas sencillas se obtienen otras moléculas más complejas. En los procesos catabólicos se libera energía, que se almacena en forma de ATP, mientras que en los procesos anabólicos se requiere un aporte energético, que se obtiene de la hidrólisis del ATP. Mediante los procesos catabólicos compuestos reducidos se transforman en otras moléculas más oxidadas; por consiguiente, los procesos catabólicos son procesos oxidativos. Por el contrario, los procesos anabólicos son procesos reductores a través de los cuales moléculas oxidadas se transforman en otras más reducidas.
2.- ¿De qué depende que una reacción transcurra espontáneamente?
Lo que permite predecir que una reacción transcurra espontáneamente o no es la variación de la energía libre ( G). Si G < 0, la reacción es exergónica y transcurre espontáneamente. Si G > 0, la reacción es endergónica y no transcurre espontáneamente; ocurrirá en sentido contrario. Si G = 0, el sistema está en equilibrio y no hay cambios.
3.- ¿Cómo se forma el ATP en las células?
El ATP se forma al unirse al ADP una molécula de fosfato; este proceso se denomina fosforilación. Este es un proceso endergónico, no espontáneo, que requiere un aporte energético para producirse. Ocurre en el interior de las células acoplado a procesos muy exergónicos. ADP + Pi + Energía ATP + H2O Existen dos mecanismos para sintetizar el ATP: la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación debida al transporte de electrones. Fosforilación a nivel de sustrato: Este proceso consiste en transferir un grupo fosfato de alta energía desde una molécula fosforilada hasta el ADP, formándose ATP. En este proceso se aprovecha la energía que se libera al hidrolizarse el grupo fosfato de la molécula fosforilada, para transferir dicho grupo fosfato al ADP y formar ATP. Este tipo de fosforilación se da en la glucólisis y, también, en alguna de las etapas del ciclo de Krebs. Fosforilación debida al transporte de electrones: En este caso, la fosforilación del ADP para formar ATP se realiza gracias a la energía que se libera al transportar electrones a través de una serie de proteínas situadas en la membrana mitocondrial o en la de los cloroplastos. Esta energía es aprovechada por el complejo enzimático ATP-sintetasa para fosforilar el ADP y formar ATP. Existen dos procesos de este tipo: la fosforilación oxidativa ocurre en las mitocondrias, y la fotofosforilación tiene lugar en los cloroplastos.
4.- Principales mecanismos de la regulación metabólica.
La regulación del metabolismo celular se produce principalmente a tres niveles que son los siguientes: Controlando la cantidad de los enzimas. Los enzimas, al igual que otras moléculas celulares, sufren recambio metabólico y, por consiguiente, se degradan y se sintetizan continuamente. Esto permite regular la cantidad de un enzima que hay en un momento dado. La velocidad de síntesis enzimática dependerá de la velocidad de transcripción del gen que la codifica. Controlando la actividad enzimática. Los organismos disponen de varios mecanismos para modificar la actividad enzimática. Uno de los más importantes es la regulación por retroinhibición. En este mecanismo intervienen los enzimas alostéricos, los cuales catalizan reacciones que están localizadas en puntos clave de una ruta metabólica, como puede ser la primera reacción de una ruta metabólica o el punto de ramificación de una ruta. En este tipo de control, el producto final de la ruta actúa como inhibidor del enzima alostérico. Otros mecanismos de regulación son: la regulación por isoenzimas y la regulación por modificación covalente reversible del enzima. Controlando la cantidad de sustrato. Otro mecanismo que permite regular el metabolismo es controlar la cantidad de sustrato que llega al interior de un orgánulo a través de la membrana.
5.- ¿Qué son las rutas metabólicas?
Se denomina ruta metabólica a una secuencia de reacciones encadenadas en las que el producto de una de ellas es el sustrato de la siguiente. Cada una de las reacciones de una ruta está catalizada por un enzima específico. Las rutas metabólicas pueden ser de muchos tipos: Lineales: el sustrato inicial no coincide con el producto de la última reacción. Un ejemplo de estas rutas lo constituye la glucólisis Cíclicas: el sustrato inicial coincide con el producto de la última reacción. Un ejemplo es el ciclo de Krebs. Atendiendo al tipo de proceso metabólico, las rutas pueden ser: anabólicas, como el ciclo de Calvin, y catabólicas, como las fermentaciones. Las rutas metabólicas no suelen estar aisladas, sino que suelen conectar unas con otras, formando redes complejas. A los compuestos intermedios que intervienen en una ruta metabólica se los denomina metabolitos. Un ejemplo: el ácido cítrico en el ciclo de Krebs o el fosfoenolpirúvico en la glucólisis. Hay rutas que pueden ser catabólicas y anabólicas, a estas se las denomina anfibólicas; el ejemplo más característico lo constituye el ciclo de Krebs. En el metabolismo hay rutas centrales donde confluyen otras rutas metabólicas. Un ejemplo es el ciclo de Krebs.
6.- ¿A qué se llama sistema termodinámico? Señala los principales sistemas termodinámicos que conozcas.
Un sistema termodinámico es cualquier región macroscópica del universo, formada por el conjunto de materia en estudio, que se separa del resto mediante una superficie cerrada denominada superficie termodinámica. Principalmente, se diferencian tres tipos de sistemas: Sistema cerrado. Un sistema es cerrado cuando puede intercambiar energía con el entorno, pero no materia. Sistema abierto. Un sistema es abierto cuando puede intercambiar materia y energía con el entorno. Sistema aislado. Un sistema es aislado cuando no intercambia ni materia ni energía con el entorno. Sistema adiabático. Un sistema es adiabático cuando no intercambia materia ni energía en forma de calor con el entorno, pero sí intercambia energía en forma de trabajo.
7.- ¿Cuáles son los principales compuestos que intervienen como transportadores de electrones en el metabolismo?
En el metabolismo los procesos de óxido-reducción tienen una enorme importancia; muchas de las reacciones catabólicas son reacciones de oxidación, en las que se liberan electrones, mientras que muchas de las reacciones anabólicas son reductoras, en las que se requieren electrones. En los procesos biológicos de óxido-reducción, la pérdida y ganancia de electrones suele ir acompañada de pérdida y ganancia de H+, por lo que estos procesos son deshidrogenaciones e hidrogenaciones. Los electrones, desprendidos en las oxidaciones catabólicas, son recogidos por un coenzima y transportados, a veces, hasta procesos anabólicos reductores donde se requieren. En otras ocasiones son encaminados hasta una cadena transportadora (cadena respiratoria) que los conducirá hasta el O2, que será su aceptor final. Los coenzimas que se encargan de recoger y transportar los electrones que se liberan en las oxidaciones metabólicas son: NAD+, NADP+ y FAD. Los tres son dinucleótidos de adenina. Estos coenzimas se reducen al captar los electrones y, posteriormente, cuando los ceden, se regeneran y se oxidan de nuevo. NAD+ (nicotinamín adenín dinucleótido). Está formado por dos ribonucleótidos: el de la adenina y el que tiene por base la nicotinamida (vitamina PP). En las oxidaciones en las que interviene este coenzima, el sustrato pierde dos electrones y dos protones; los dos e-; junto con un H+ se unen al NAD+ y se forma NADH, mientras que el otro H+ queda en el medio; por ello, la forma reducida de este coenzima se debe escribir NADH+H+ aunque también está permitido NADH. Este coenzima suele intervenir en reacciones de deshidrogenación de alcoholes. La forma reducida (NADH) suele ceder los electrones a una cadena de transporte de e- que los hará llegar hasta el oxígeno. En este transporte se forma ATP. NADP+ (nicotinamín adenín dinucleótido fosfato). Es similar al NAD+, salvo que en el carbono 3 de la ribosa del nucleótido de la adenina lleva un grupo fosfato. La forma reducida (NADPH) actúa aportando electrones en los procesos de biosíntesis (anabólicos). FAD (flavín adenín dinucleótido). Está formado por dos ribonucleótidos: el de la riboflavina (vitamina B2) y el de la adenina. Interviene en reacciones de deshidrogenación con formación de enlaces dobles. Su forma reducida (FADH2), al igual que el NADH, cede los electrones a una cadena transportadora de estos que los lleva hasta el O2; en este transporte se forma ATP.
8.- Señala cinco compartimentos celulares e indica los procesos metabólicos que ocurren en ellos.
Mitocondrias. Los procesos metabólicos que ocurren son: ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, transporte electrónico y fosforilación oxidativa, -oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen, descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico. Cloroplasto. El proceso metabólico que ocurre es la fotosíntesis (fase luminosa y oscura). Hialoplasma. Algunos de los procesos que ocurren son: la glucólisis, muchas etapas de la gluconeogénesis, síntesis de ácidos grasos, síntesis de algunos aminoácidos, síntesis de nucleótidos, etc. Núcleo. Los principales procesos metabólicos son: la replicación del ADN y la transcripción del ADN para formar ARN. Retículo endoplasmático. Los procesos que ocurren son: síntesis de lípidos, síntesis de esteroides, etc.
9.- ¿Cuántos tipos de células se diferencian atendiendo a la fuente de carbono que utilizan?
Además de energía, las células necesitan una fuente de carbono para poder construir las moléculas que la forman. Según cual sea esta fuente de carbono que utilicen, podemos dividir las células en dos grandes grupos: autótrofas y heterótrofas. Autótrofas: son células que utilizan el CO2 atmosférico como fuente de carbono para construir sus moléculas orgánicas. A este grupo pertenecen las células fotótrofas, entre las que se encuentran muchas de las células vegetales que realizan la fotosíntesis, y también las quimiosintéticas, que realizan el proceso de quimiosíntesis, entre las que se encuentran bacterias como, por ejemplo, las bacterias incoloras del azufre. Heterótrofas son células que utilizan como fuente de carbono las moléculas orgánicas. A este grupo pertenecen las células animales, las de los hongos, etc. Estas células utilizan los compuestos orgánicos no solo como fuente de carbono, sino también como fuente de energía, por ello se las denomina quimioheterótrofas.
10.- ¿Cuáles son los principales intermediarios que participan en el metabolismo y qué papel desempeñan?
En el metabolismo intervienen una serie de intermediarios cuyo papel es el de transportar electrones, energía y otros grupos químicos activados desde unos procesos donde se desprenden hasta otros en los que se requieren. Los principales intermediarios son: ATP (adenosín trifosfato): actúa como intermediario energético, transfiriendo energía desde unos procesos en los que se desprende (procesos catabólicos) hasta otros procesos en los que se requiere (procesos anabólicos). Aunque el ATP es el compuesto que más se utiliza en la transferencia de energía, no es el único; hay otros nucleótidos que también se emplean, como el GTP o el UTP. Dinucleótidos de adenina: entre los cuales destacan principalmente: el NAD+, el NADP+ y el FAD. Estos coenzimas actúan transfiriendo electrones e hidrogeniones desde los procesos en los que se desprenden hasta los procesos en los que se requieren. Al captar los electrones y los protones que se desprenden en los procesos catabólicos de oxidación, se reducen y, posteriormente, cuando los ceden, se oxidan. Coenzima A: actúa transportando cadenas hidrocarbonadas y, más concretamente, radicales de ácidos orgánicos (acilos). El radical acilo se une mediante un enlace tioéster con el azufre del grupo sulfhidrilo del CoA; este enlace es de alta energía, y su hidrólisis es muy exergónica.
11.- ¿Qué condiciones debe cumplir la regulación metabólica?
En las células se producen simultáneamente una enorme cantidad de reacciones metabólicas (anabólicas y catabólicas), que están catalizadas por diferentes enzimas. Estas reacciones están organizadas en rutas metabólicas. Cada una de estas rutas posee uno o varios puntos de control, que se encargan de asegurar las necesidades que en cada instante posee la célula. La regulación debe cumplir dos condiciones: Debe ajustarse a las necesidades de la célula en cada instante. La célula produce la energía, las macromoléculas y los eslabones estructurales que necesita en cada momento, con independencia de la abundancia en el medio. Es decir, lo que determina la velocidad del catabolismo es la necesidad de ATP. Debe ser flexible con las variaciones de nutrientes que presenta el medio en diferentes momentos.
12.- ¿Qué se entiende por metabolismo? ¿Qué procesos comprende?
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en las células y mediante las cuales se transforman los nutrientes que llegan a ellas desde el exterior. El metabolismo tiene dos finalidades: Que la célula obtenga energía química utilizable, que se almacena en forma de ATP. Que la célula fabrique a partir de esos nutrientes sus propios compuestos, que serán utilizados para fabricar sus estructuras celulares o para almacenarlos como reserva. Por consiguiente, dentro del metabolismo se diferencian dos tipos de procesos: el anabolismo y el catabolismo. El catabolismo comprende la fase destructiva del metabolismo. Consiste en la oxidación de moléculas orgánicas reducidas, que se convierten en otras más simples y oxidadas. Estas transformaciones desprenden energía, recogida en moléculas intermediarias de energía como el ATP, o en forma de poder reductor en moléculas transportadoras de electrones (NADH, NADPH). El anabolismo es la fase constructiva del metabolismo; mediante él se sintetizan moléculas orgánicas. Esta síntesis se realiza a partir de moléculas simples y oxidadas, que se reducen utilizando la energía del ATP y el poder reductor (NADH, NADPH) que se obtuvieron en el catabolismo.
13.- Enuncia los dos principios fundamentales de la termodinámica.
Los dos principios de la termodinámica son: El primer principio de la termodinámica es el principio de la conservación de la energía. Este principio establece que la energía puede ser convertida de una forma a otra, pero no se puede crear o destruir. En otras palabras: la energía total del universo es constante. El segundo principio de la termodinámica es el aumento de la entropía. Este principio establece que la entropía del universo se incrementa en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra en equilibrio. Como universo = sistema + entorno, para cualquier proceso el cambio de entropía del universo es la suma de los cambios de entropía del sistema y de su entorno. Matemáticamente este principio se puede expresar de la siguiente forma: Suniv. = Ssist. + Sent. Si el proceso es espontáneo Suniv 0, para un proceso en equilibrio Suniv = 0
14.- ¿Qué características tienen en común los intermediarios transportadores que intervienen en el metabolismo?
Todos los intermediarios transportadores que intervienen en el metabolismo presentan una serie de características comunes, entre las cuales destacan las siguientes: Ocupan un papel central en el metabolismo. Son muy versátiles e intervienen en numerosas reacciones químicas metabólicas. Son comunes a todos los organismos vivos. Son todos ribonucleótidos de adenina. Es probable que su origen se encuentre en los comienzos de la vida; posiblemente deriven de las primeras moléculas con capacidad catalítica y de duplicación: las ribozimas (ARN). Debido a su eficacia y versatilidad, se han mantenido como coenzimas de los enzimas actuales (proteínas).
15.- ¿Qué ventajas representa la compartimentación celular en el metabolismo?
La compartimentación celular se presenta en las células eucariotas, no así en las procariotas, en las que no hay orgánulos membranosos diferenciados. En las células eucariotas la existencia de sistemas de endomembranas permite compartimentar en múltiples cavidades el volumen celular, con ello se logra que las numerosas reacciones metabólicas, que se producen continuamente, y los enzimas que las catalizan no se interfieran entre sí, teniendo cada una un lugar específico de acción. La compartimentación es ventajosa, ya que permite separar rutas metabólicas, algunas de ellas incompatibles, lo que favorece su control. Así por ejemplo, una célula puede realizar al mismo tiempo la oxidación de ácidos grasos de cadena larga hasta acetil, y el proceso inverso de reducción del acetil para formar ácidos grasos de cadena larga. Estos procesos, que son químicamente incompatibles, se pueden realizar porque ocurren en diferentes lugares de la célula: la oxidación en las mitocondrias y la reducción en el hialoplasma. En las células eucariotas los distintos orgánulos celulares (mitocondrias, núcleo, lisosomas, etc) pueden ser considerados como compartimentos especializados, donde se encuentran confinados enzimas relacionados funcionalmente, que realizan tareas específicas.
16.- Según cual sea la fuente de energía que utilicen, ¿cuántos tipos de células se pueden diferenciar? Pon algún ejemplo.
Atendiendo a la fuente de energía que utilicen las células, las podemos dividir en dos grupos: fototrofas y quimiotrofas. Fotótrofas son aquellas células que utilizan como fuente de energía la luz solar y la transforman en energía química. A este grupo pertenecen muchas de las células vegetales, aquellas que realizan la fotosíntesis. Quimiótrofas son las que utilizan como fuente de energía la energía química que se desprende de la oxidación de compuestos químicos. Algunas la obtienen de la oxidación de compuestos inorgánicos, esto es lo que hacen las bacterias quimiosintéticas (bacterias del nitrógeno). Otras, como las células animales, obtienen la energía mediante la oxidación de compuestos orgánicos.
17.- La glucosa-1-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato en dos reacciones sucesivas: glucosa-1-fosfato glucosa-6-fosfato. glucosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato. Sabiendo que la variación de la energía libre es la siguiente: glucosa-1-fosfato glucosa-6-fosfato Go' = -1,7 Kcal/mol. fructosa-6-fosfato glucosa-6-fosfato Go' = -0,4 Kcal/mol. Determina el valor del Go' para la reacción global e indica si esta reacción es endergónica o exergónica.
Estas dos reacciones están acopladas a través de la glucosa-6-fosfato, que es el intermediario común. Por lo tanto, para calcular la variación global de la energía libre, se suman. Así, tendremos: glucosa-1-fosfato glucosa-6-fosfato Go'= -1,7 Kcal/mol glucosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato Go'= +0,4 Kcal/mol Sumando estas dos, obtenemos: glucosa-1-fosfato fructosa-6-fosfato Go'= -1,3 Kcal/mol Como la variación de la energía libre es menor que 0, el proceso de forma global es exergónico y transcurre espontáneamente.
18.- ¿Cuál es la composición del ATP? ¿A qué debe su papel de intermediario energético?
El ATP o adenosín trifosfato es un ribonucleótido de adenina que tiene tres moléculas de fosfato. Por consiguiente, está formado por: una molécula de adenina, una molécula de ribosa ( -D-Ribofuranosa) y tres moléculas de fosfato. La adenina se une con la ribosa mediante un enlace N-glucosídico que se establece entre el carbono 1 de la ribosa y el nitrógeno 9 de la adenina. La primera molécula de fosfato se une mediante un enlace éster con el carbono 5 de la ribosa, las otras dos moléculas de fosfato se unen entre sí y con la molécula de fosfato anterior mediante unos enlaces especiales denominados enlaces ácido-anhídrido. Los enlaces ácido-anhídrido, que unen entre sí las moléculas de fosfato, son enlaces de alta energía. Esto significa que para formarse se requiere mucha energía, y cuando se hidrolizan igualmente liberan mucha energía. En esto se fundamenta el papel de intermediario energético que realiza el ATP; en la creación y destrucción de estos enlaces. El ATP almacena energía en los enlaces que unen entre sí a los grupos fosfato, especialmente el que une el 2 y el 3er fosfato. Mediante la hidrólisis, que es un proceso espontáneo, se rompe este enlace y se libera energía, permitiendo que pueda actuar acoplada a procesos endergónicos que no serían posibles sin un aporte energético. Posteriormente, el ATP se regenera mediante la fosforilación del ADP, en el que se requiere un aporte energético.
19.- ¿Qué es el recambio metabólico?
Es la renovación continua de todos los componentes celulares; las moléculas que forman estos componentes se degradan y son sustituidas por otras nuevas que se sintetizan. El recambio metabólico fue observado por primera vez en 1930 por Schenheimer, gracias al método de los trazadores isotópicos. Hasta entonces se creía que, una vez que los componentes celulares se habían formado, permanecían intactos y estables durante todo el ciclo celular. El recambio metabólico es necesario para que no se paralice la actividad vital, y permite controlar el nivel de cada sustancia en cada momento. La velocidad de síntesis y de degradación es equilibrada para compuestos que se presentan en concentración constante. El recambio metabólico es notable en células o tejidos que se adaptan rápidamente a cambios de composición química en sus elementos nutritivos, tales como el hígado, la mucosa intestinal, etc.
20.- ¿Qué diferencia existe entre un organismo aerobio y uno anaerobio? ¿Cuál obtiene mayor cantidad de energía?
El organismo aerobio utiliza el oxígeno molecular como último aceptor de electrones. La oxidación de la molécula se puede considerar completa. Los productos resultantes son CO2, H2O y sustancias minerales que carecen de energía. Por ello, en la respiración aerobia es donde más energía se desprende. El organismo anaerobio emplea otras moléculas aceptoras. La oxidación es parcial e incompleta.
21.- Describe la vía glucolítica.
La glucólisis es un conjunto de reacciones anaeróbicas que degradan la glucosa (6C), transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico. Es utilizada por casi todas las células como medio para obtener energía. Cualquiera que sea la fuente de glucosa utilizada, el resultado final será la obtención de ácido pirúvico, ATP y NADH. Las reacciones que se producen tienen lugar en dos etapas sucesivas: 1. La glucosa, tras su activación y transformación en otras hexosas, se descompone en dos moléculas de 3 átomos de C, gliceraldehído-3-fosfato. Para ello se necesita la energía aportada por dos moléculas de ATP. 2. Las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se oxidan después, a través de una serie de reacciones, hasta rendir dos moléculas de ácido pirúvico. En esta oxidación se necesita como coenzima el NAD+, que se reduce a NADH. Asimismo, la energía liberada en el proceso es utilizada para fabricar cuatro moléculas de ATP.
22.- Además de la glucosa, ¿qué otras moléculas de naturaleza glucídica entran a formar parte del catabolismo para la obtención de energía?
Aunque la glucosa sea el monosacárido más utilizado por las células para obtener energía, otros glúcidos también desembocarán en la glucólisis. Entre los monosacáridos, destacan la fructosa y la galactosa, que serán transformados para entrar en la glucólisis. Entre los disacáridos, la sacarosa (azúcar común) y la lactosa (azúcar de la leche), que serán hidrolizados hasta sus componentes monosacáridos. Y entre los polisacáridos, el almidón y el glucógeno, que constituyen sustancias de reserva en los vegetales y animales, respectivamente.
23.- ¿Qué relación existe entre el intercambio de gases y la respiración?
El intercambio de gases es el proceso que lleva a cabo el organismo captando el oxígeno del aire (o disuelto en agua) y eliminando CO2. La finalidad del intercambio de gases es proporcionar oxígeno molecular a las células y eliminar el CO2 producto de su actividad. La respiración tiene como finalidad obtener energía mediante la combustión de moléculas orgánicas, las cuales son oxidadas hasta CO2 y H2O.
24.- Explica cómo la ruta de degradación de los aminoácidos se encontrará con el intermediario central en el metabolismo, esto es, con el acetil-CoA.
Una vez constituidas las proteínas necesarias, los aminoácidos sobrantes se degradan por diferentes rutas. Estas rutas confluyen en el ciclo de Krebs. El grupo amino se transfiere a otras moléculas. En el hígado de los mamíferos, las transaminasas transfieren el grupo amino a un cetoácido, el -cetoglutárico. Se forma el ácido glutámico que se desaminará produciendo amonio.
25.- ¿Qué relación existe entre el ciclo de Krebs y la Glucólisis?
La glucólisis constituye una primera fase en la degradación de la glucosa. Su balance es 2 moléculas de pirúvico, 2 ATP y 2 NADH por molécula de glucosa. Ahora bien, el pirúvico sigue siendo materia orgánica que puede ser oxidada y transformada en materia inorgánica (CO2). Esta transformación ocurre en la ruta metabólica denominada ciclo de Krebs, que tiene lugar en la matriz mitocondrial. El ciclo de Krebs se inicia con la incorporación del acetil-CoA (2C) a una molécula de ácido cítrico. A lo largo del ciclo se produce su oxidación total, generando dos moléculas de CO2, una de FADH2, 3 de NADH y una de GTP, recuperándose finalmente el ácido cítrico. El acetil-CoA procede, en gran medida, de la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, producto final de la glucólisis, aunque también puede proceder de la degradación de los ácidos grasos, glicerina o desaminación de los aminoácidos. La glucólisis es una vía anaeróbica en la que se inicia la degradación de los azúcares, mientras que en el ciclo de Krebs se completa la destrucción no solo de los azúcares, sino también de otros principios inmediatos. El objeto de todo ello es conseguir el máximo posible de coenzimas reducidos, lo que finalmente se traducirá en una gran cantidad de ATP en la cadena de transporte de electrones de la mitocondria.
26.- ¿A qué proceso corresponde este esquema? Realiza su interpretación, indicando balance energético y orgánulo en el que tiene lugar el proceso.
El esquema representa la cadena de transporte de electrones, que tiene lugar en la membrana mitocondrial interna. Se denomina así porque se van transfiriendo electrones desde los coenzimas reducidos (fundamentalmente NADH y FADH2, que se reoxidan a NAD+ y FAD), hasta el oxígeno molecular, que se reduce a agua. La cadena se inicia con un sustrato reducido, que se oxida cediendo sus hidrógenos al NAD+, que se reduce a NADH. El resto de la cadena lo forman transportadores de H+ y de electrones, que acaban cediéndolos al O2, que se reduce a agua. El hecho de que aparezcan transportadores capaces de recoger electrones y H+, en la misma cadena que otros que solo aceptan electrones provoca que en un punto determinado de la cadena los H+ queden libres. Se puede observar también que existen tres pasos en los que se libera la energía en el transporte, esta energía se utiliza para bombear los protones (H+) libres desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranas donde se acumulan. Estos protones vuelven de nuevo a la matriz, esta vez a favor de gradiente, a través de unos complejos enzimáticos llamados ATP-sintetasas de la membrana mitocondrial interna. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H+ para sintetizar ATP a partir de ADP+P. Balance energético: Por cada pareja de electrones cedida por el NADH y transportada hasta el O2, se logran fabricar 3 moléculas de ATP. Hay sustratos que al oxidarse utilizan como coenzima el FAD y no el NAD+. En estos casos, si los electrones son aportados a la cadena por el FADH2, tan solo se formarán 2 ATP.
27.- ¿En qué proceso obtiene una célula más energía a partir de una molécula de glucosa, en la respiración o en la fermentación? Razona la respuesta.
La degradación aerobia de la glucosa se lleva a cabo mediante las oxidaciones respiratorias que se inician en la glucólisis en el hialoplasma y acaban en el transporte de electrones en la mitocondria. Mediante estas vías la glucosa se degrada completamente a CO2, y se obtienen de 36 a 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. La degradación anaerobia se lleva a cabo mediante la fermentación de la molécula de glucosa, que tiene lugar en el hialoplasma. En este proceso también tiene lugar la glucólisis; pero el producto final, el piruvato, no se transforma en acetil-CoA y, por tanto, no se incorpora a la mitocondria, sino que experimenta unas transformaciones en el propio hialoplasma, dando lugar a los productos finales de la fermentación (alcohol, lactato...). La única energía que se obtiene en todo el proceso es la producida en la glucólisis, es decir, 2 ATP por molécula de glucosa. La gran diferencia en el rendimiento energético se debe a que la molécula de glucosa es oxidada completamente a CO2 mediante la respiración, mientras que en la degradación anaerobia no es oxidada completamente. Los productos finales de la fermentación aún contienen energía que no es aprovechada para formar ATP.
28.- Diferencia entre organismos anaerobios estrictos y anaerobios facultativos.
Los anaerobios estrictos son los que no pueden utilizar el oxígeno o aquellos a los que incluso les resulta nocivo, como es el caso de algunas bacterias. Los anaerobios facultativos, como las levaduras, prefieren utilizar el oxígeno, pero si este escasea, emplean otras moléculas aceptoras. Hay células, como las del músculo esquelético, que necesitan gran cantidad de energía en un momento dado. Cuando el O2 que les llega no es suficiente, utilizan el proceso anaerobio para la obtención de energía.
29.- ¿En qué tipo de proceso interviene la lactato deshidrogenasa? ¿Cómo se lleva a cabo dicho proceso?
La lactato deshidrogenasa es un enzima que interviene en la fermentación homoláctica. Después de la glucólisis se produce la reducción del piruvato a lactato. Se recupera NAD+ por la reducción catalizada por la lactato deshidrogenasa (LDH). El ácido láctico es eliminado por las bacterias y enviado al hígado en los organismos superiores.
30.- ¿Qué disacáridos importantes son utilizados por las células para obtener energía?
La sacarosa (azúcar común) y la lactosa (azúcar de la leche) son disacáridos muy importantes que forman parte de la alimentación humana. Dichos disacáridos serán hidrolizados a sus componentes monosacáridos, de lo cual se encargan enzimas específicos como la sacarasa y la lactasa, que se encuentran en las paredes del intestino.
31.- Explica de manera general cómo se lleva a cabo la respiración celular.
Las moléculas orgánicas que se oxidan por vía aerobia ceden electrones al oxígeno molecular a través de intermediarios como el NADH y el FADH2. En el transcurso de esta cesión se produce ATP. Los productos finales son CO2 y H2O. os principales combustibles empleados son los glúcidos, sobre todo la glucosa y los ácidos grasos. Otras moléculas, como los aminoácidos, también son catabolizadas en la respiración. El ácido pirúvico, producto de la glucólisis, es totalmente oxidado. El último aceptor de electrones en la respiración es el O2. Las moléculas de NADH ceden sus electrones a una cadena de transporte que termina en el oxígeno, y por lo tanto se recupera el NAD+, por lo que la etapa glucolítica no se detendrá.
32.- ¿Qué es un proceso de -oxidación?
La -oxidación es un proceso catabólico mediante el cual se oxida el carbono situado en posición beta. Por medio de este proceso, los ácidos grasos se van fragmentando en moléculas de acetil-CoA. Esta ruta metabólica tiene lugar en la matriz mitocondrial.
33.- ¿Qué función tiene la cadena de transporte electrónico en la mitocondria? ¿En qué lugar de la mitocondria se localiza físicamente?
La función de la cadena es transportar electrones hasta el aceptor final, que es el O2 (que se reduce a H2O), y su objetivo es doble: Por un lado, oxidar los coenzimas FADH2 y NADH + H+, que se han reducido en las rutas catabólicas (glucólisis, descarboxilación del ácido pirúvico, -oxidación, ciclo de Krebs, etc.), para que, de esta manera, dichas rutas puedan seguir funcionando. La energía liberada en el transporte de electrones es utilizada para convertir el ADP+ Pi en ATP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Este ATP será utilizado para realizar todos los procesos celulares que requieran energía.
34.- Razona el rendimiento energético, en forma de número de moléculas de ATP, producido por la degradación total de una molécula de glucosa.
La oxidación completa de la glucosa se lleva a cabo mediante las oxidaciones respiratorias que se inician con la glucólisis en el hialoplasma y acaban en el transporte de electrones en las mitocondrias. Mediante estas vías, la glucosa se degrada completamente a CO2, y se obtienen de 36 a 38 moléculas de ATP.
35.- Define respiración celular y fermentación. ¿Tienen alguna fase en común?
La respiración celular consiste en la degradación total de moléculas orgánicas por medio del oxígeno molecular. La fermentación es una oxidación incompleta, apareciendo como producto algún compuesto orgánico, como por ejemplo el ácido láctico. Tanto en la fermentación como en la respiración celular, la primera parte, común y obligada, es la glucólisis, cuya función es doble: Proporcionar energía. Formar intermediarios de los eslabones estructurales para la síntesis de otras moléculas, como, por ejemplo, los ácidos grasos.
36.- Realiza el balance energético de la glucólisis, su localización celular y el destino del ácido pirúvico formado.
Por cada molécula de glucosa que ingresa en esta vía, se obtiene: 2 moléculas de ácido pirúvico. 2 moléculas de ATP (cuatro formadas menos dos gastadas). 2 moléculas de NADH + H+. Estas reacciones tienen lugar en el hialoplasma. El destino del ácido pirúvico es diferente según las condiciones: En condiciones aerobias, el ácido pirúvico es descarboxilado a acetil-CoA y oxidado completamente mediante el ciclo de Krebs en la mitocondria. En condiciones anaerobias, el ácido pirúvico es reducido mediante la fermentación a ácido láctico u otro compuesto en el citoplasma.
37.- ¿A qué se denomina fosforólisis? ¿Qué enzimas intervienen en este proceso y cómo se lleva a cabo?
Es la ruptura del enlace glucosídico ( 1 4) del almidón y el glucógeno por adición de fosfato inorgánico. Dicha ruptura es catalizada por las fosforilasas. La fosforilasa actúa con el coenzima fosfato de piridoxal. El proceso continúa con la eliminación sucesiva de restos de glucosa de la cadena hasta que se encuentra con una ramificación ( 6). El enzima 1 6-glucosidasa hidroliza la rama y la fosforilasa continúa actuando.
38.- ¿Qué importante ruta metabólica se inicia con la condensación del acetato y el oxalacetato? ¿De dónde proviene fundamentalmente el acetato? ¿Dónde tiene lugar esta ruta metabólica?
Esta ruta es el ciclo de Krebs (llamado también del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos) en la que la condensación de estos dos compuestos origina el ácido cítrico. Al final del ciclo se recupera el oxalacetato, que puede incorporar una nueva molécula de acetato. El acetato proviene de: La degradación de los ácidos grasos en la -oxidación o hélice de Lynen. La descarboxilación oxidativa del piruvato obtenido fundamentalmente, en la glucólisis. El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial.
39.- El monóxido de carbono es un poderoso inhibidor de la citocromo-oxidasa, complejo enzimático de la cadena respiratoria mitocondrial. ¿Qué efectos puede tener la intoxicación con monóxido de carbono sobre el consumo de O2 en la mitocondria? ¿Y sobre la producción de ATP? Razona la respuesta.
La producción de ATP asociada a la cadena cesa. No obstante, existen otras fuentes de ATP, como son las fosforilaciones al nivel del sustrato (iguales a las que tienen lugar en la glucólisis), que, como es el caso de las células musculares mediante la fermentación, podrían aportar ATP a la célula, aunque en cantidad mucho menor. El consumo de O2 cesaría también, ya que, al bloquearse el transporte de electrones, la función del papel del O2 como aceptor final desaparece. Los coenzimas, FADH2 y NADH + H+, que se han reducido en las rutas catabólicas no pueden oxidarse de nuevo y, en consecuencia, dichas rutas tampoco podrían seguir funcionando. En resumen, sin ATP suficiente y sin FAD y NAD+ para poder realizar reacciones oxidativas, la célula no podría desarrollar sus funciones, y moriría. Cuando esta muerte celular es elevada y afecta a órganos importantes como el cerebro, se produciría la muerte del organismo.
40.- ¿Qué sistemas de lanzaderas existen para que el NADH penetre en la matriz mitocondrial desde el citosol?
Como el NADH no puede llegar directamente a la matriz, existen unos sistemas de lanzaderas que trasladan los equivalentes de reducción al interior. Lanzadera del malato. En el hígado y el corazón, el NADH cede los hidrógenos al oxalacetato y se forma malato. Este penetra en la mitocondria, donde cede los hidrógenos al NAD+ intramitocondrial, que en la cadena respiratoria rendirá 3 ATP. Lanzadera del glicerofosfato. Este sistema de lanzadera lo emplea el músculo, que cede los electrones al complejo II, por lo que se producirá un ATP menos, es decir, dos ATP.
41.- ¿Qué es el catabolismo? ¿Qué tipos de catabolismo se distinguen según el grado de oxidación?
Es un proceso destructivo en el que, a partir de sustancias complejas, se obtienen otras más simples y energía, que se utilizará para la producción de calor, el movimiento, la biosíntesis, etc. El catabolismo es semejante en los organismos autótrofos y en los heterótrofos. Son transformaciones químicas, en su mayor parte reacciones de óxido-reducción, en las que unos compuestos se oxidan a expensas de otros que se reducen. Dentro del catabolismo, la respiración es la oxidación completa de la materia orgánica, formándose CO2 y H2O, mientras que la fermentación se produce cuando hay oxidación incompleta, es decir, que en el producto aparece algún compuesto orgánico.
42.- Describe la fermentación alcohólica y representa la reacción global resumida. Indica algún organismo responsable de dicha fermentación. ¿Qué productos se obtienen de ella?
La fermentación alcohólica se produce en el hialoplasma de ciertas levaduras del género Saccharomyces en condiciones anaeróbicas. Este proceso es la continuación de la vía glucolítica que se produce también en condiciones anaeróbicas en el hialoplasma de todas las células. En esta primera fase de la fermentación se obtiene energía (ATP) y se forma NADH + H+ (coenzima reducido). El NADH + H+ debe volver a oxidarse para que el proceso continúe. La reoxidación del NADH + H+ tiene lugar, en este caso, por la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, que conlleva la obtención de alcohol etílico. Este proceso se aprovecha en la industria para la fermentación del pan y la obtención de bebidas alcohólicas.
43.- ¿Cómo se incorporan el almidón y el glucógeno a la glucólisis?
El almidón constituye la reserva del combustible glucosa en los vegetales, y el glucógeno, en los animales. La obtención de glucosa a partir de estos polisacáridos está catalizada por los correspondientes enzimas, las fosforilasas (almidónfosforilasa y glucogenofosforilasa), que producen la fosforólisis o ruptura del enlace glucosídico ( 1 4) por adición de fosfato inorgánico.
44.- ¿En qué consiste la respiración celular desde el punto de vista metabólico? ¿Qué células la llevan a cabo y en qué lugar de la célula se produce?
La respiración celular es un conjunto de transformaciones químicas o secuencias de reacciones que tienen la función de proporcionar energía para el trabajo celular y para la biosíntesis. Es una ruta catabólica aerobia que llevan a cabo las células eucarióticas, tanto animales como vegetales, y muchas procarióticas. En las primeras, las etapas centrales del proceso se producen en las mitocondrias. En las segundas, en el citosol, aunque los enzimas más importantes se encuentran en la membrana celular.
45.- Explica, de forma razonada, el balance energético del catabolismo del siguiente compuesto: CH3-(CH2)14-COOH.
Se trata de un ácido graso saturado de número par de carbonos (16), en concreto, es el ácido palmítico. Estos ácidos grasos, una vez activados mediante su unión con el CoA, inician su degradación en la matriz mitocondrial en la ruta llamada -oxidación. En cada vuelta de la hélice de Lynen se desprende una molécula de acetil-CoA y se forma un NADH y un FADH2. Para degradar una molécula de ácido graso de 16 C hace falta dar 7 vueltas a la hélice de Lynen, y así se obtienen: 8 moléculas de acetil-CoA, 7 de NADH y 7 de FADH2. Las 8 moléculas de acetil-CoA se incorporan al ciclo de Krebs para su total transformación en CO2. Por 8 vueltas al ciclo de Krebs se obtiene: 8 2 = 16 CO2. 8 3 = 24 NADH. 8 1 = 8 FADH2. 8 1 = 8 GTP (= 8 ATP). Los NADH y FADH2 se reoxidan en la cadena de transporte electrónico. Por cada NADH se obtiene 3 ATP, y por cada FADH2, 2 ATP. En total: (7+24) = 31 NADH 3 = 63 ATP. (7 +8) = 15 FADH2 2 = 30 ATP. TOTAL 93 + 8 = 101 ATP.
46.- ¿Cuál es el papel del ciclo de Krebs en el metabolismo celular?
El ciclo de Krebs constituye una etapa de la respiración oxidativa y tiene lugar en la matriz mitocondrial. Consiste en la oxidación completa a CO2 de moléculas de acetil-CoA, que se incorporan a un ciclo de reacciones. En cada vuelta del ciclo de Krebs, se incorpora una molécula de acetil-CoA, y salen de él: Dos moléculas de CO2. Cuatro moléculas de coenzimas reducidas (3NADH y 1 FADH2). Una molécula de GTP equivalente a ATP. El acetil-CoA que se incorpora al ciclo y es oxidado a CO2 procede de la degradación de los principios inmediatos, principalmente de ácidos grasos y de azúcares. De todo ello, podemos concluir que el ciclo de Krebs es la vía metabólica en la que termina la degradación total de la materia orgánica y se transforma en inorgánica. Además, estas oxidaciones proporcionan energía (ATP) que se obtiene, bien directamente en este ciclo (sólo 1 ATP), o bien reoxidando los coenzimas reducidos en la cadena de transporte de electrones, localizada en la membrana mitocondrial interna. Aunque el ciclo de Krebs es eminentemente catabólico, de él parten también importantes rutas anabólicas. Por ejemplo, el ácido -cetoglutárico puede servir, previa transformación, en glutámico para sintetizar los aminoácidos no esenciales. Por otra parte, el ácido cítrico, una vez transformado en acetil-CoA, será utilizado para fabricar ácidos grasos, y el ácido oxalacético puede transformarse en glucosa si se incorpora a la vía de la neoglucogénesis.
47.- ¿En qué consiste la fosforilación oxidativa?
La energía liberada en el transporte de electrones permite bombear los protones desde la matriz al espacio intermembrana. Hay tres puntos en la cadena respiratoria en los que ocurre esta translocación de protones, que, debido a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna, se acumulan en el espacio intermembrana. Así se origina un gradiente electroquímico de protones y un gradiente eléctrico (potencial de membrana). Debido a la impermeabilidad de la membrana interna, el retorno de protones a la matriz solo puede hacerse a través de la ATP sintetasa. La ATP sintetasa cambia su conformación y se activa para fosforilar el ADP y pasarlo a ATP. La hipótesis que explica el acoplamiento de estos dos procesos, uno químico, de oxidación-reducción en la cadena respiratoria, y otro osmótico, de transporte de protones, se conoce con el nombre de hipótesis quimiosmótica, dada por Mitchell, y su resultado es la fosforilación oxidativa. Cada NADH2 que llega a la cadena respiratoria cede una pareja de e-, que en su transporte liberan energía suficiente para bombear 6 H+ desde la matriz al espacio intermembrana. Si los electrones proceden del FADH2, solo se bombean 4 H+. Por cada 2 H+ que vuelven a la matriz a través de la ATP sintetasa, se fosforila 1 ADP. Por tanto, se pueden obtener 3 ATP por cada NADH obtenido en el catabolismo, y 2 ATP por cada FADH2.
48.- A continuación aparecen algunas reacciones generales de varios procesos metabólicos. Indica a qué rutas metabólicas corresponde cada reacción. A) Glucosa + O2 CO2 + H2O + ATP. B) Ácido graso + O2 CO2 + H2O + ATP. C) Glucosa Alcohol etílico + CO2 + ATP
Preguntas selectividad Valencia. Metabolismo
Preguntas selectividad Valencia. Anabolismo. Fotosínteis
Preguntas selectividad Valencia. Catabolismo
Cuestiones selectividad importantes. Metabolismo
Cuestiones selectividad importantes. Catabolismo
Cuestiones selectividad importantes. Anabolismo
Metabolismo. Repiración celular.
Degradación de los ácidos grasos
Ensamblaje del ARNr y proteínas ribosomales nucleolo Glicólisis citosol
Beta oxidación de los ácidos grasos matriz mitocondrial
Reducción CO2 atmosférico estroma cloroplasto
Glucosilación de proteínas aparato de Golgi
Fosforilación oxidativa membrana interna mitocondrial
Oxidación del ácido pirúvico a CO2 peroxisoma
Reparación del ADN nucleoplasma
9. Define organismo aerobio y organismo anaerobio y pon un ejemplo de cada uno.
Según cuál sea el último aceptor de los hidrógenos (electrones) del NADH procedentes del sustrato oxidado y de la energía metabólica en forma de ATP que se forme durante el proceso de oxidación del sustrato y del lugar donde se lleven a cabo los procesos, se tienen dos tipos de organismos:
- Aerobios: cuando el oxígeno molecular es el último aceptor formando agua. Este proceso libera una gran cantidad de energía (38 moléculas de ATP por molécula de glucosa) y se realiza en sus etapas finales en el interior de la mitocondria, en presencia de oxígeno, en un proceso que comprende varias etapas: Glicólisis (citosol), ciclo de Krebs (matriz mitocondrial), cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa (en la membrana mitocondrial interna y partículas fundamentales). Los productos finales de este proceso son el dióxido de carbono y agua. La mayor parte de los seres vivos son aerobios entre ellos los animales y las plantas.
- Anaerobios: Cuando es una molécula orgánica todavía reducida la que finalmente acepta los electrones del NADH. Se producen tan solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa, además de moléculas todavía reducidas con alto nivel energético como el etanol (fermentación alcohólica) y el ácido láctico (fermentación láctica). El proceso se lleva a cabo en condiciones anaerobias (sin oxígeno) y se realiza en el citosol. Ejemplos de organismos anaerobios: bacterias como el Sacharomyces, Lactobacillus, Streptococus, levaduras, etc.
Existen organismos anaerobios facultativos, capaces de producir ambos tipos de procesos catabólicos dependiendo de las condiciones ambientales. En presencia de oxígeno se completa la respiración aerobia dando lugar a CO2, H2O y 38 moléculas de ATP.
Si las condiciones ambientales son de falta de oxígeno (músculo en actividad con deficiente ventilación), pueden utilizarse rutas alternativas como la de la glicólisis para producir energía por vía anaerobia (ácido láctico y dos moléculas de ATP).
- Aerobios: cuando el oxígeno molecular es el último aceptor formando agua. Este proceso libera una gran cantidad de energía (38 moléculas de ATP por molécula de glucosa) y se realiza en sus etapas finales en el interior de la mitocondria, en presencia de oxígeno, en un proceso que comprende varias etapas: Glicólisis (citosol), ciclo de Krebs (matriz mitocondrial), cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa (en la membrana mitocondrial interna y partículas fundamentales). Los productos finales de este proceso son el dióxido de carbono y agua. La mayor parte de los seres vivos son aerobios entre ellos los animales y las plantas.
- Anaerobios: Cuando es una molécula orgánica todavía reducida la que finalmente acepta los electrones del NADH. Se producen tan solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa, además de moléculas todavía reducidas con alto nivel energético como el etanol (fermentación alcohólica) y el ácido láctico (fermentación láctica). El proceso se lleva a cabo en condiciones anaerobias (sin oxígeno) y se realiza en el citosol. Ejemplos de organismos anaerobios: bacterias como el Sacharomyces, Lactobacillus, Streptococus, levaduras, etc.
Existen organismos anaerobios facultativos, capaces de producir ambos tipos de procesos catabólicos dependiendo de las condiciones ambientales. En presencia de oxígeno se completa la respiración aerobia dando lugar a CO2, H2O y 38 moléculas de ATP.
Si las condiciones ambientales son de falta de oxígeno (músculo en actividad con deficiente ventilación), pueden utilizarse rutas alternativas como la de la glicólisis para producir energía por vía anaerobia (ácido láctico y dos moléculas de ATP).
10. ¿Qué es el ATP?. Explica su estructura e indica algunos procesos en los que esta molécula es imprescindible.
El trifosfato de adenosina (adenosin trifosfato), es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato.
Las reacciones endergónicas se manifiestan durante los procesos anabólicos que requieren energía para convertir los reactivos sencillos (sustratos) en productos (moléculas orgánicas complejas).
Por otro lado, en las reacciones exergónicas se libera energía como resultado de los procesos químicos (ejemplo: el catabolismo de macromoléculas). Las reacciones exergónicas pueden estar acopladas con reacciones endergónicas. Reacciones de oxidación-reducción (redox) son ejemplos de reacciones exergónicas y endergónicas acopladas.
Por otro lado, en las reacciones exergónicas se libera energía como resultado de los procesos químicos (ejemplo: el catabolismo de macromoléculas). Las reacciones exergónicas pueden estar acopladas con reacciones endergónicas. Reacciones de oxidación-reducción (redox) son ejemplos de reacciones exergónicas y endergónicas acopladas.
La masa molecular del ATP es de 507,181 g/mol . Es una molécula inestable y tiende a ser hidrolizada en el agua. La hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le llama a veces "molécula de alta energía". El ATP contiene "enlaces de alta energía" (ricoenergéticos) en los enlaces fosfodiéster que se encuentran entre el primer y segundo fosfato y el segundo y tercer fosfato.
El ATP es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones celulares. Esto incluye la síntesis de macromoléculas como el ADN, el ARN y las proteínas. También desempeña un papel fundamental en el transporte de macromoléculas a través de las membranas celulares, es decir, en la exocitosis y endocitosis.
Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los enlaces anhídrido del ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. De hecho, la reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y fosfato es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -30,5 kJ/mol:
Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de adenosina difosfato y fosfato es una reacción endergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol:
La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -42 kJ/mol:
La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato. El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los procariotas, o por los cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP.
Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los enlaces anhídrido del ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. De hecho, la reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y fosfato es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -30,5 kJ/mol:
Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de adenosina difosfato y fosfato es una reacción endergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol:
La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -42 kJ/mol:
La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato. El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los procariotas, o por los cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP.
Es la principal fuente de energía directamente utilizable por la célula.
En los seres humanos, el ATP constituye la única energía utilizable por el músculo.
11. ¿Qué ruta metabólica se representa en la imagen?. ¿Se trata de una ruta anabólica o catabólica?. Razona la respuesta. ¿De dónde proceden el ATP y el NADPH?
Ciclo de Calvin que se realiza en la fase oscura o nocturna de la fotosíntesis. Explicado anteriormente.
Ruta anabólica porque se forman enlaces al reducir el dióxido de carbono a glucosa. Proceso endergónico que requiere grandes cantidades de ATP y NADPH + H.
El ATP y NADPH + H procede de la fase diurna o luminosa de la fotosíntesis explicada también anteriormente.
12. Indica las formas de obtención de energía en los organismos autótrofos y heterótrofos.
Los organismos autótrofos fabrican sus propias biomoléculas mediante la :
- Fotosíntesis: algas, plantas y algunas bacterias fotosintéticas.
- Quimiosínteis: bacterias del S, del Fe, del metano, del hidrógeno, etc.
Los organismos heterótrofos necesitan tomar las biomoléculas que necesitan para realizar sus funciones de otros seres vivos. Algunas bacterias, protozoos, hongos y animales.
13. Nombra y explica la clasificación de los seres vivos según la naturaleza química de la materia y la fuente de energía que utilizan en su metabolismo (5 puntos).
El alumno hará referencia a los dos tipos de metabolismo: autótrofo y heterótrofo. Los autótrofos utilizan como fuente de materia sustancias inorgánicas para construir biomoléculas orgánicas. Según la fuente de energía, los autótrofos son:
fotosintéticos (fuente de energía la luz solar y fuente de carbono el CO2) o quimiosintéticos (fuente de energía la materia inorgánica). Los seres vivos heterótrofos utilizan como fuente de materia sustancias orgánicas que contienen la energía disponible en sus enlaces.
14. Respecto al ciclo de Krebs, indica:
a) En qué orgánulo celular y en qué estructura de éste tiene lugar (1 puntos).
b) El origen del acetil-CoA que se incorpora al ciclo (1 puntos).
c) El destino metabólico de los productos que se originan (2 puntos).
El alumno responderá:
a) El ciclo de Krebs se desarrolla en la matriz mitocondrial.
b) El acetil-CoA, procede del piruvato obtenido en la glucólisis o de la beta oxidación de los ácidos grasos.
c) El NADH y FADH2 formados en el ciclo de Krebs tienen como destino la cadena de transporte electrónico para la obtención de ATP o las reacciones del anabolismo a las que provee de poder reductor.
15. En relación a la imagen: a) ¿Qué procesos representa? b) ¿En qué orgánulo celular se producen? c) ¿En qué condiciones se dan? d) ¿A qué sustancias corresponden las letras A, B, C y D? (4 puntos).
El alumno responderá que: a) Se trata de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. b y c) Se produce en la mitocondria en presencia de oxígeno. d) La letra A corresponde a NADH, B corresponde a NAD+ , C es oxígeno molecular y D agua.
16. Define anabolismo y catabolismo citando un ejemplo de cada uno. ¿Cómo se clasifican los organismos según su forma de obtener carbono y la fuente de energía que utilizan? (4 puntos).
El alumno definirá anabolismo como procesos de biosíntesis que requieren energía (por ejemplo gluconeogénesis, ciclo de Calvin, etc.) y catabolismo como procesos de degradación que liberan energía (glucólisis, β-oxidación, etc.). Los organismos pueden ser autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos utilizan como fuente de materia sustancias inorgánicas para construir biomoléculas orgánicas. Según la fuente de energía, los autótrofos son: fotosintéticos (fuente de energía la luz solar y fuente de carbono el CO2) o quimiosintéticos (fuente de energía la materia inorgánica). Los seres vivos heterótrofos utilizan como fuente de materia sustancias orgánicas que contienen la energía disponible en sus enlaces
17. Explica la diferencia entre fotosíntesis y quimiosíntesis (2 puntos).
En la fotosíntesis la fuente de energía es la luz y en la quimiosíntesis la energía se obtiene de la oxidación de moléculas inorgánicas.
OTRAS PREGUNTAS
1.- Señala las principales diferencias entre catabolismo y anabolismo.
El anabolismo y el catabolismo constituyen los dos tipos de procesos que se dan en el metabolismo; las principales diferencias que presentan son las siguientes: El catabolismo es la fase destructiva del metabolismo. Comprende las reacciones metabólicas mediante las cuales moléculas orgánicas más o menos complejas se degradan, transformándose en otras moléculas más sencillas. El anabolismo es, por el contrario, la fase constructiva del metabolismo; comprende las reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de moléculas sencillas se obtienen otras moléculas más complejas. En los procesos catabólicos se libera energía, que se almacena en forma de ATP, mientras que en los procesos anabólicos se requiere un aporte energético, que se obtiene de la hidrólisis del ATP. Mediante los procesos catabólicos compuestos reducidos se transforman en otras moléculas más oxidadas; por consiguiente, los procesos catabólicos son procesos oxidativos. Por el contrario, los procesos anabólicos son procesos reductores a través de los cuales moléculas oxidadas se transforman en otras más reducidas.
2.- ¿De qué depende que una reacción transcurra espontáneamente?
Lo que permite predecir que una reacción transcurra espontáneamente o no es la variación de la energía libre ( G). Si G < 0, la reacción es exergónica y transcurre espontáneamente. Si G > 0, la reacción es endergónica y no transcurre espontáneamente; ocurrirá en sentido contrario. Si G = 0, el sistema está en equilibrio y no hay cambios.
3.- ¿Cómo se forma el ATP en las células?
El ATP se forma al unirse al ADP una molécula de fosfato; este proceso se denomina fosforilación. Este es un proceso endergónico, no espontáneo, que requiere un aporte energético para producirse. Ocurre en el interior de las células acoplado a procesos muy exergónicos. ADP + Pi + Energía ATP + H2O Existen dos mecanismos para sintetizar el ATP: la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación debida al transporte de electrones. Fosforilación a nivel de sustrato: Este proceso consiste en transferir un grupo fosfato de alta energía desde una molécula fosforilada hasta el ADP, formándose ATP. En este proceso se aprovecha la energía que se libera al hidrolizarse el grupo fosfato de la molécula fosforilada, para transferir dicho grupo fosfato al ADP y formar ATP. Este tipo de fosforilación se da en la glucólisis y, también, en alguna de las etapas del ciclo de Krebs. Fosforilación debida al transporte de electrones: En este caso, la fosforilación del ADP para formar ATP se realiza gracias a la energía que se libera al transportar electrones a través de una serie de proteínas situadas en la membrana mitocondrial o en la de los cloroplastos. Esta energía es aprovechada por el complejo enzimático ATP-sintetasa para fosforilar el ADP y formar ATP. Existen dos procesos de este tipo: la fosforilación oxidativa ocurre en las mitocondrias, y la fotofosforilación tiene lugar en los cloroplastos.
4.- Principales mecanismos de la regulación metabólica.
La regulación del metabolismo celular se produce principalmente a tres niveles que son los siguientes: Controlando la cantidad de los enzimas. Los enzimas, al igual que otras moléculas celulares, sufren recambio metabólico y, por consiguiente, se degradan y se sintetizan continuamente. Esto permite regular la cantidad de un enzima que hay en un momento dado. La velocidad de síntesis enzimática dependerá de la velocidad de transcripción del gen que la codifica. Controlando la actividad enzimática. Los organismos disponen de varios mecanismos para modificar la actividad enzimática. Uno de los más importantes es la regulación por retroinhibición. En este mecanismo intervienen los enzimas alostéricos, los cuales catalizan reacciones que están localizadas en puntos clave de una ruta metabólica, como puede ser la primera reacción de una ruta metabólica o el punto de ramificación de una ruta. En este tipo de control, el producto final de la ruta actúa como inhibidor del enzima alostérico. Otros mecanismos de regulación son: la regulación por isoenzimas y la regulación por modificación covalente reversible del enzima. Controlando la cantidad de sustrato. Otro mecanismo que permite regular el metabolismo es controlar la cantidad de sustrato que llega al interior de un orgánulo a través de la membrana.
5.- ¿Qué son las rutas metabólicas?
Se denomina ruta metabólica a una secuencia de reacciones encadenadas en las que el producto de una de ellas es el sustrato de la siguiente. Cada una de las reacciones de una ruta está catalizada por un enzima específico. Las rutas metabólicas pueden ser de muchos tipos: Lineales: el sustrato inicial no coincide con el producto de la última reacción. Un ejemplo de estas rutas lo constituye la glucólisis Cíclicas: el sustrato inicial coincide con el producto de la última reacción. Un ejemplo es el ciclo de Krebs. Atendiendo al tipo de proceso metabólico, las rutas pueden ser: anabólicas, como el ciclo de Calvin, y catabólicas, como las fermentaciones. Las rutas metabólicas no suelen estar aisladas, sino que suelen conectar unas con otras, formando redes complejas. A los compuestos intermedios que intervienen en una ruta metabólica se los denomina metabolitos. Un ejemplo: el ácido cítrico en el ciclo de Krebs o el fosfoenolpirúvico en la glucólisis. Hay rutas que pueden ser catabólicas y anabólicas, a estas se las denomina anfibólicas; el ejemplo más característico lo constituye el ciclo de Krebs. En el metabolismo hay rutas centrales donde confluyen otras rutas metabólicas. Un ejemplo es el ciclo de Krebs.
6.- ¿A qué se llama sistema termodinámico? Señala los principales sistemas termodinámicos que conozcas.
Un sistema termodinámico es cualquier región macroscópica del universo, formada por el conjunto de materia en estudio, que se separa del resto mediante una superficie cerrada denominada superficie termodinámica. Principalmente, se diferencian tres tipos de sistemas: Sistema cerrado. Un sistema es cerrado cuando puede intercambiar energía con el entorno, pero no materia. Sistema abierto. Un sistema es abierto cuando puede intercambiar materia y energía con el entorno. Sistema aislado. Un sistema es aislado cuando no intercambia ni materia ni energía con el entorno. Sistema adiabático. Un sistema es adiabático cuando no intercambia materia ni energía en forma de calor con el entorno, pero sí intercambia energía en forma de trabajo.
7.- ¿Cuáles son los principales compuestos que intervienen como transportadores de electrones en el metabolismo?
En el metabolismo los procesos de óxido-reducción tienen una enorme importancia; muchas de las reacciones catabólicas son reacciones de oxidación, en las que se liberan electrones, mientras que muchas de las reacciones anabólicas son reductoras, en las que se requieren electrones. En los procesos biológicos de óxido-reducción, la pérdida y ganancia de electrones suele ir acompañada de pérdida y ganancia de H+, por lo que estos procesos son deshidrogenaciones e hidrogenaciones. Los electrones, desprendidos en las oxidaciones catabólicas, son recogidos por un coenzima y transportados, a veces, hasta procesos anabólicos reductores donde se requieren. En otras ocasiones son encaminados hasta una cadena transportadora (cadena respiratoria) que los conducirá hasta el O2, que será su aceptor final. Los coenzimas que se encargan de recoger y transportar los electrones que se liberan en las oxidaciones metabólicas son: NAD+, NADP+ y FAD. Los tres son dinucleótidos de adenina. Estos coenzimas se reducen al captar los electrones y, posteriormente, cuando los ceden, se regeneran y se oxidan de nuevo. NAD+ (nicotinamín adenín dinucleótido). Está formado por dos ribonucleótidos: el de la adenina y el que tiene por base la nicotinamida (vitamina PP). En las oxidaciones en las que interviene este coenzima, el sustrato pierde dos electrones y dos protones; los dos e-; junto con un H+ se unen al NAD+ y se forma NADH, mientras que el otro H+ queda en el medio; por ello, la forma reducida de este coenzima se debe escribir NADH+H+ aunque también está permitido NADH. Este coenzima suele intervenir en reacciones de deshidrogenación de alcoholes. La forma reducida (NADH) suele ceder los electrones a una cadena de transporte de e- que los hará llegar hasta el oxígeno. En este transporte se forma ATP. NADP+ (nicotinamín adenín dinucleótido fosfato). Es similar al NAD+, salvo que en el carbono 3 de la ribosa del nucleótido de la adenina lleva un grupo fosfato. La forma reducida (NADPH) actúa aportando electrones en los procesos de biosíntesis (anabólicos). FAD (flavín adenín dinucleótido). Está formado por dos ribonucleótidos: el de la riboflavina (vitamina B2) y el de la adenina. Interviene en reacciones de deshidrogenación con formación de enlaces dobles. Su forma reducida (FADH2), al igual que el NADH, cede los electrones a una cadena transportadora de estos que los lleva hasta el O2; en este transporte se forma ATP.
8.- Señala cinco compartimentos celulares e indica los procesos metabólicos que ocurren en ellos.
Mitocondrias. Los procesos metabólicos que ocurren son: ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos, transporte electrónico y fosforilación oxidativa, -oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen, descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico. Cloroplasto. El proceso metabólico que ocurre es la fotosíntesis (fase luminosa y oscura). Hialoplasma. Algunos de los procesos que ocurren son: la glucólisis, muchas etapas de la gluconeogénesis, síntesis de ácidos grasos, síntesis de algunos aminoácidos, síntesis de nucleótidos, etc. Núcleo. Los principales procesos metabólicos son: la replicación del ADN y la transcripción del ADN para formar ARN. Retículo endoplasmático. Los procesos que ocurren son: síntesis de lípidos, síntesis de esteroides, etc.
9.- ¿Cuántos tipos de células se diferencian atendiendo a la fuente de carbono que utilizan?
Además de energía, las células necesitan una fuente de carbono para poder construir las moléculas que la forman. Según cual sea esta fuente de carbono que utilicen, podemos dividir las células en dos grandes grupos: autótrofas y heterótrofas. Autótrofas: son células que utilizan el CO2 atmosférico como fuente de carbono para construir sus moléculas orgánicas. A este grupo pertenecen las células fotótrofas, entre las que se encuentran muchas de las células vegetales que realizan la fotosíntesis, y también las quimiosintéticas, que realizan el proceso de quimiosíntesis, entre las que se encuentran bacterias como, por ejemplo, las bacterias incoloras del azufre. Heterótrofas son células que utilizan como fuente de carbono las moléculas orgánicas. A este grupo pertenecen las células animales, las de los hongos, etc. Estas células utilizan los compuestos orgánicos no solo como fuente de carbono, sino también como fuente de energía, por ello se las denomina quimioheterótrofas.
10.- ¿Cuáles son los principales intermediarios que participan en el metabolismo y qué papel desempeñan?
En el metabolismo intervienen una serie de intermediarios cuyo papel es el de transportar electrones, energía y otros grupos químicos activados desde unos procesos donde se desprenden hasta otros en los que se requieren. Los principales intermediarios son: ATP (adenosín trifosfato): actúa como intermediario energético, transfiriendo energía desde unos procesos en los que se desprende (procesos catabólicos) hasta otros procesos en los que se requiere (procesos anabólicos). Aunque el ATP es el compuesto que más se utiliza en la transferencia de energía, no es el único; hay otros nucleótidos que también se emplean, como el GTP o el UTP. Dinucleótidos de adenina: entre los cuales destacan principalmente: el NAD+, el NADP+ y el FAD. Estos coenzimas actúan transfiriendo electrones e hidrogeniones desde los procesos en los que se desprenden hasta los procesos en los que se requieren. Al captar los electrones y los protones que se desprenden en los procesos catabólicos de oxidación, se reducen y, posteriormente, cuando los ceden, se oxidan. Coenzima A: actúa transportando cadenas hidrocarbonadas y, más concretamente, radicales de ácidos orgánicos (acilos). El radical acilo se une mediante un enlace tioéster con el azufre del grupo sulfhidrilo del CoA; este enlace es de alta energía, y su hidrólisis es muy exergónica.
11.- ¿Qué condiciones debe cumplir la regulación metabólica?
En las células se producen simultáneamente una enorme cantidad de reacciones metabólicas (anabólicas y catabólicas), que están catalizadas por diferentes enzimas. Estas reacciones están organizadas en rutas metabólicas. Cada una de estas rutas posee uno o varios puntos de control, que se encargan de asegurar las necesidades que en cada instante posee la célula. La regulación debe cumplir dos condiciones: Debe ajustarse a las necesidades de la célula en cada instante. La célula produce la energía, las macromoléculas y los eslabones estructurales que necesita en cada momento, con independencia de la abundancia en el medio. Es decir, lo que determina la velocidad del catabolismo es la necesidad de ATP. Debe ser flexible con las variaciones de nutrientes que presenta el medio en diferentes momentos.
12.- ¿Qué se entiende por metabolismo? ¿Qué procesos comprende?
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en las células y mediante las cuales se transforman los nutrientes que llegan a ellas desde el exterior. El metabolismo tiene dos finalidades: Que la célula obtenga energía química utilizable, que se almacena en forma de ATP. Que la célula fabrique a partir de esos nutrientes sus propios compuestos, que serán utilizados para fabricar sus estructuras celulares o para almacenarlos como reserva. Por consiguiente, dentro del metabolismo se diferencian dos tipos de procesos: el anabolismo y el catabolismo. El catabolismo comprende la fase destructiva del metabolismo. Consiste en la oxidación de moléculas orgánicas reducidas, que se convierten en otras más simples y oxidadas. Estas transformaciones desprenden energía, recogida en moléculas intermediarias de energía como el ATP, o en forma de poder reductor en moléculas transportadoras de electrones (NADH, NADPH). El anabolismo es la fase constructiva del metabolismo; mediante él se sintetizan moléculas orgánicas. Esta síntesis se realiza a partir de moléculas simples y oxidadas, que se reducen utilizando la energía del ATP y el poder reductor (NADH, NADPH) que se obtuvieron en el catabolismo.
13.- Enuncia los dos principios fundamentales de la termodinámica.
Los dos principios de la termodinámica son: El primer principio de la termodinámica es el principio de la conservación de la energía. Este principio establece que la energía puede ser convertida de una forma a otra, pero no se puede crear o destruir. En otras palabras: la energía total del universo es constante. El segundo principio de la termodinámica es el aumento de la entropía. Este principio establece que la entropía del universo se incrementa en un proceso espontáneo y se mantiene constante en un proceso que se encuentra en equilibrio. Como universo = sistema + entorno, para cualquier proceso el cambio de entropía del universo es la suma de los cambios de entropía del sistema y de su entorno. Matemáticamente este principio se puede expresar de la siguiente forma: Suniv. = Ssist. + Sent. Si el proceso es espontáneo Suniv 0, para un proceso en equilibrio Suniv = 0
14.- ¿Qué características tienen en común los intermediarios transportadores que intervienen en el metabolismo?
Todos los intermediarios transportadores que intervienen en el metabolismo presentan una serie de características comunes, entre las cuales destacan las siguientes: Ocupan un papel central en el metabolismo. Son muy versátiles e intervienen en numerosas reacciones químicas metabólicas. Son comunes a todos los organismos vivos. Son todos ribonucleótidos de adenina. Es probable que su origen se encuentre en los comienzos de la vida; posiblemente deriven de las primeras moléculas con capacidad catalítica y de duplicación: las ribozimas (ARN). Debido a su eficacia y versatilidad, se han mantenido como coenzimas de los enzimas actuales (proteínas).
15.- ¿Qué ventajas representa la compartimentación celular en el metabolismo?
La compartimentación celular se presenta en las células eucariotas, no así en las procariotas, en las que no hay orgánulos membranosos diferenciados. En las células eucariotas la existencia de sistemas de endomembranas permite compartimentar en múltiples cavidades el volumen celular, con ello se logra que las numerosas reacciones metabólicas, que se producen continuamente, y los enzimas que las catalizan no se interfieran entre sí, teniendo cada una un lugar específico de acción. La compartimentación es ventajosa, ya que permite separar rutas metabólicas, algunas de ellas incompatibles, lo que favorece su control. Así por ejemplo, una célula puede realizar al mismo tiempo la oxidación de ácidos grasos de cadena larga hasta acetil, y el proceso inverso de reducción del acetil para formar ácidos grasos de cadena larga. Estos procesos, que son químicamente incompatibles, se pueden realizar porque ocurren en diferentes lugares de la célula: la oxidación en las mitocondrias y la reducción en el hialoplasma. En las células eucariotas los distintos orgánulos celulares (mitocondrias, núcleo, lisosomas, etc) pueden ser considerados como compartimentos especializados, donde se encuentran confinados enzimas relacionados funcionalmente, que realizan tareas específicas.
16.- Según cual sea la fuente de energía que utilicen, ¿cuántos tipos de células se pueden diferenciar? Pon algún ejemplo.
Atendiendo a la fuente de energía que utilicen las células, las podemos dividir en dos grupos: fototrofas y quimiotrofas. Fotótrofas son aquellas células que utilizan como fuente de energía la luz solar y la transforman en energía química. A este grupo pertenecen muchas de las células vegetales, aquellas que realizan la fotosíntesis. Quimiótrofas son las que utilizan como fuente de energía la energía química que se desprende de la oxidación de compuestos químicos. Algunas la obtienen de la oxidación de compuestos inorgánicos, esto es lo que hacen las bacterias quimiosintéticas (bacterias del nitrógeno). Otras, como las células animales, obtienen la energía mediante la oxidación de compuestos orgánicos.
17.- La glucosa-1-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato en dos reacciones sucesivas: glucosa-1-fosfato glucosa-6-fosfato. glucosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato. Sabiendo que la variación de la energía libre es la siguiente: glucosa-1-fosfato glucosa-6-fosfato Go' = -1,7 Kcal/mol. fructosa-6-fosfato glucosa-6-fosfato Go' = -0,4 Kcal/mol. Determina el valor del Go' para la reacción global e indica si esta reacción es endergónica o exergónica.
Estas dos reacciones están acopladas a través de la glucosa-6-fosfato, que es el intermediario común. Por lo tanto, para calcular la variación global de la energía libre, se suman. Así, tendremos: glucosa-1-fosfato glucosa-6-fosfato Go'= -1,7 Kcal/mol glucosa-6-fosfato fructosa-6-fosfato Go'= +0,4 Kcal/mol Sumando estas dos, obtenemos: glucosa-1-fosfato fructosa-6-fosfato Go'= -1,3 Kcal/mol Como la variación de la energía libre es menor que 0, el proceso de forma global es exergónico y transcurre espontáneamente.
18.- ¿Cuál es la composición del ATP? ¿A qué debe su papel de intermediario energético?
El ATP o adenosín trifosfato es un ribonucleótido de adenina que tiene tres moléculas de fosfato. Por consiguiente, está formado por: una molécula de adenina, una molécula de ribosa ( -D-Ribofuranosa) y tres moléculas de fosfato. La adenina se une con la ribosa mediante un enlace N-glucosídico que se establece entre el carbono 1 de la ribosa y el nitrógeno 9 de la adenina. La primera molécula de fosfato se une mediante un enlace éster con el carbono 5 de la ribosa, las otras dos moléculas de fosfato se unen entre sí y con la molécula de fosfato anterior mediante unos enlaces especiales denominados enlaces ácido-anhídrido. Los enlaces ácido-anhídrido, que unen entre sí las moléculas de fosfato, son enlaces de alta energía. Esto significa que para formarse se requiere mucha energía, y cuando se hidrolizan igualmente liberan mucha energía. En esto se fundamenta el papel de intermediario energético que realiza el ATP; en la creación y destrucción de estos enlaces. El ATP almacena energía en los enlaces que unen entre sí a los grupos fosfato, especialmente el que une el 2 y el 3er fosfato. Mediante la hidrólisis, que es un proceso espontáneo, se rompe este enlace y se libera energía, permitiendo que pueda actuar acoplada a procesos endergónicos que no serían posibles sin un aporte energético. Posteriormente, el ATP se regenera mediante la fosforilación del ADP, en el que se requiere un aporte energético.
19.- ¿Qué es el recambio metabólico?
Es la renovación continua de todos los componentes celulares; las moléculas que forman estos componentes se degradan y son sustituidas por otras nuevas que se sintetizan. El recambio metabólico fue observado por primera vez en 1930 por Schenheimer, gracias al método de los trazadores isotópicos. Hasta entonces se creía que, una vez que los componentes celulares se habían formado, permanecían intactos y estables durante todo el ciclo celular. El recambio metabólico es necesario para que no se paralice la actividad vital, y permite controlar el nivel de cada sustancia en cada momento. La velocidad de síntesis y de degradación es equilibrada para compuestos que se presentan en concentración constante. El recambio metabólico es notable en células o tejidos que se adaptan rápidamente a cambios de composición química en sus elementos nutritivos, tales como el hígado, la mucosa intestinal, etc.
20.- ¿Qué diferencia existe entre un organismo aerobio y uno anaerobio? ¿Cuál obtiene mayor cantidad de energía?
El organismo aerobio utiliza el oxígeno molecular como último aceptor de electrones. La oxidación de la molécula se puede considerar completa. Los productos resultantes son CO2, H2O y sustancias minerales que carecen de energía. Por ello, en la respiración aerobia es donde más energía se desprende. El organismo anaerobio emplea otras moléculas aceptoras. La oxidación es parcial e incompleta.
21.- Describe la vía glucolítica.
La glucólisis es un conjunto de reacciones anaeróbicas que degradan la glucosa (6C), transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico. Es utilizada por casi todas las células como medio para obtener energía. Cualquiera que sea la fuente de glucosa utilizada, el resultado final será la obtención de ácido pirúvico, ATP y NADH. Las reacciones que se producen tienen lugar en dos etapas sucesivas: 1. La glucosa, tras su activación y transformación en otras hexosas, se descompone en dos moléculas de 3 átomos de C, gliceraldehído-3-fosfato. Para ello se necesita la energía aportada por dos moléculas de ATP. 2. Las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se oxidan después, a través de una serie de reacciones, hasta rendir dos moléculas de ácido pirúvico. En esta oxidación se necesita como coenzima el NAD+, que se reduce a NADH. Asimismo, la energía liberada en el proceso es utilizada para fabricar cuatro moléculas de ATP.
22.- Además de la glucosa, ¿qué otras moléculas de naturaleza glucídica entran a formar parte del catabolismo para la obtención de energía?
Aunque la glucosa sea el monosacárido más utilizado por las células para obtener energía, otros glúcidos también desembocarán en la glucólisis. Entre los monosacáridos, destacan la fructosa y la galactosa, que serán transformados para entrar en la glucólisis. Entre los disacáridos, la sacarosa (azúcar común) y la lactosa (azúcar de la leche), que serán hidrolizados hasta sus componentes monosacáridos. Y entre los polisacáridos, el almidón y el glucógeno, que constituyen sustancias de reserva en los vegetales y animales, respectivamente.
23.- ¿Qué relación existe entre el intercambio de gases y la respiración?
El intercambio de gases es el proceso que lleva a cabo el organismo captando el oxígeno del aire (o disuelto en agua) y eliminando CO2. La finalidad del intercambio de gases es proporcionar oxígeno molecular a las células y eliminar el CO2 producto de su actividad. La respiración tiene como finalidad obtener energía mediante la combustión de moléculas orgánicas, las cuales son oxidadas hasta CO2 y H2O.
24.- Explica cómo la ruta de degradación de los aminoácidos se encontrará con el intermediario central en el metabolismo, esto es, con el acetil-CoA.
Una vez constituidas las proteínas necesarias, los aminoácidos sobrantes se degradan por diferentes rutas. Estas rutas confluyen en el ciclo de Krebs. El grupo amino se transfiere a otras moléculas. En el hígado de los mamíferos, las transaminasas transfieren el grupo amino a un cetoácido, el -cetoglutárico. Se forma el ácido glutámico que se desaminará produciendo amonio.
25.- ¿Qué relación existe entre el ciclo de Krebs y la Glucólisis?
La glucólisis constituye una primera fase en la degradación de la glucosa. Su balance es 2 moléculas de pirúvico, 2 ATP y 2 NADH por molécula de glucosa. Ahora bien, el pirúvico sigue siendo materia orgánica que puede ser oxidada y transformada en materia inorgánica (CO2). Esta transformación ocurre en la ruta metabólica denominada ciclo de Krebs, que tiene lugar en la matriz mitocondrial. El ciclo de Krebs se inicia con la incorporación del acetil-CoA (2C) a una molécula de ácido cítrico. A lo largo del ciclo se produce su oxidación total, generando dos moléculas de CO2, una de FADH2, 3 de NADH y una de GTP, recuperándose finalmente el ácido cítrico. El acetil-CoA procede, en gran medida, de la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, producto final de la glucólisis, aunque también puede proceder de la degradación de los ácidos grasos, glicerina o desaminación de los aminoácidos. La glucólisis es una vía anaeróbica en la que se inicia la degradación de los azúcares, mientras que en el ciclo de Krebs se completa la destrucción no solo de los azúcares, sino también de otros principios inmediatos. El objeto de todo ello es conseguir el máximo posible de coenzimas reducidos, lo que finalmente se traducirá en una gran cantidad de ATP en la cadena de transporte de electrones de la mitocondria.
26.- ¿A qué proceso corresponde este esquema? Realiza su interpretación, indicando balance energético y orgánulo en el que tiene lugar el proceso.
El esquema representa la cadena de transporte de electrones, que tiene lugar en la membrana mitocondrial interna. Se denomina así porque se van transfiriendo electrones desde los coenzimas reducidos (fundamentalmente NADH y FADH2, que se reoxidan a NAD+ y FAD), hasta el oxígeno molecular, que se reduce a agua. La cadena se inicia con un sustrato reducido, que se oxida cediendo sus hidrógenos al NAD+, que se reduce a NADH. El resto de la cadena lo forman transportadores de H+ y de electrones, que acaban cediéndolos al O2, que se reduce a agua. El hecho de que aparezcan transportadores capaces de recoger electrones y H+, en la misma cadena que otros que solo aceptan electrones provoca que en un punto determinado de la cadena los H+ queden libres. Se puede observar también que existen tres pasos en los que se libera la energía en el transporte, esta energía se utiliza para bombear los protones (H+) libres desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranas donde se acumulan. Estos protones vuelven de nuevo a la matriz, esta vez a favor de gradiente, a través de unos complejos enzimáticos llamados ATP-sintetasas de la membrana mitocondrial interna. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H+ para sintetizar ATP a partir de ADP+P. Balance energético: Por cada pareja de electrones cedida por el NADH y transportada hasta el O2, se logran fabricar 3 moléculas de ATP. Hay sustratos que al oxidarse utilizan como coenzima el FAD y no el NAD+. En estos casos, si los electrones son aportados a la cadena por el FADH2, tan solo se formarán 2 ATP.
27.- ¿En qué proceso obtiene una célula más energía a partir de una molécula de glucosa, en la respiración o en la fermentación? Razona la respuesta.
La degradación aerobia de la glucosa se lleva a cabo mediante las oxidaciones respiratorias que se inician en la glucólisis en el hialoplasma y acaban en el transporte de electrones en la mitocondria. Mediante estas vías la glucosa se degrada completamente a CO2, y se obtienen de 36 a 38 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa. La degradación anaerobia se lleva a cabo mediante la fermentación de la molécula de glucosa, que tiene lugar en el hialoplasma. En este proceso también tiene lugar la glucólisis; pero el producto final, el piruvato, no se transforma en acetil-CoA y, por tanto, no se incorpora a la mitocondria, sino que experimenta unas transformaciones en el propio hialoplasma, dando lugar a los productos finales de la fermentación (alcohol, lactato...). La única energía que se obtiene en todo el proceso es la producida en la glucólisis, es decir, 2 ATP por molécula de glucosa. La gran diferencia en el rendimiento energético se debe a que la molécula de glucosa es oxidada completamente a CO2 mediante la respiración, mientras que en la degradación anaerobia no es oxidada completamente. Los productos finales de la fermentación aún contienen energía que no es aprovechada para formar ATP.
28.- Diferencia entre organismos anaerobios estrictos y anaerobios facultativos.
Los anaerobios estrictos son los que no pueden utilizar el oxígeno o aquellos a los que incluso les resulta nocivo, como es el caso de algunas bacterias. Los anaerobios facultativos, como las levaduras, prefieren utilizar el oxígeno, pero si este escasea, emplean otras moléculas aceptoras. Hay células, como las del músculo esquelético, que necesitan gran cantidad de energía en un momento dado. Cuando el O2 que les llega no es suficiente, utilizan el proceso anaerobio para la obtención de energía.
29.- ¿En qué tipo de proceso interviene la lactato deshidrogenasa? ¿Cómo se lleva a cabo dicho proceso?
La lactato deshidrogenasa es un enzima que interviene en la fermentación homoláctica. Después de la glucólisis se produce la reducción del piruvato a lactato. Se recupera NAD+ por la reducción catalizada por la lactato deshidrogenasa (LDH). El ácido láctico es eliminado por las bacterias y enviado al hígado en los organismos superiores.
30.- ¿Qué disacáridos importantes son utilizados por las células para obtener energía?
La sacarosa (azúcar común) y la lactosa (azúcar de la leche) son disacáridos muy importantes que forman parte de la alimentación humana. Dichos disacáridos serán hidrolizados a sus componentes monosacáridos, de lo cual se encargan enzimas específicos como la sacarasa y la lactasa, que se encuentran en las paredes del intestino.
31.- Explica de manera general cómo se lleva a cabo la respiración celular.
Las moléculas orgánicas que se oxidan por vía aerobia ceden electrones al oxígeno molecular a través de intermediarios como el NADH y el FADH2. En el transcurso de esta cesión se produce ATP. Los productos finales son CO2 y H2O. os principales combustibles empleados son los glúcidos, sobre todo la glucosa y los ácidos grasos. Otras moléculas, como los aminoácidos, también son catabolizadas en la respiración. El ácido pirúvico, producto de la glucólisis, es totalmente oxidado. El último aceptor de electrones en la respiración es el O2. Las moléculas de NADH ceden sus electrones a una cadena de transporte que termina en el oxígeno, y por lo tanto se recupera el NAD+, por lo que la etapa glucolítica no se detendrá.
32.- ¿Qué es un proceso de -oxidación?
La -oxidación es un proceso catabólico mediante el cual se oxida el carbono situado en posición beta. Por medio de este proceso, los ácidos grasos se van fragmentando en moléculas de acetil-CoA. Esta ruta metabólica tiene lugar en la matriz mitocondrial.
33.- ¿Qué función tiene la cadena de transporte electrónico en la mitocondria? ¿En qué lugar de la mitocondria se localiza físicamente?
La función de la cadena es transportar electrones hasta el aceptor final, que es el O2 (que se reduce a H2O), y su objetivo es doble: Por un lado, oxidar los coenzimas FADH2 y NADH + H+, que se han reducido en las rutas catabólicas (glucólisis, descarboxilación del ácido pirúvico, -oxidación, ciclo de Krebs, etc.), para que, de esta manera, dichas rutas puedan seguir funcionando. La energía liberada en el transporte de electrones es utilizada para convertir el ADP+ Pi en ATP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Este ATP será utilizado para realizar todos los procesos celulares que requieran energía.
34.- Razona el rendimiento energético, en forma de número de moléculas de ATP, producido por la degradación total de una molécula de glucosa.
La oxidación completa de la glucosa se lleva a cabo mediante las oxidaciones respiratorias que se inician con la glucólisis en el hialoplasma y acaban en el transporte de electrones en las mitocondrias. Mediante estas vías, la glucosa se degrada completamente a CO2, y se obtienen de 36 a 38 moléculas de ATP.
35.- Define respiración celular y fermentación. ¿Tienen alguna fase en común?
La respiración celular consiste en la degradación total de moléculas orgánicas por medio del oxígeno molecular. La fermentación es una oxidación incompleta, apareciendo como producto algún compuesto orgánico, como por ejemplo el ácido láctico. Tanto en la fermentación como en la respiración celular, la primera parte, común y obligada, es la glucólisis, cuya función es doble: Proporcionar energía. Formar intermediarios de los eslabones estructurales para la síntesis de otras moléculas, como, por ejemplo, los ácidos grasos.
36.- Realiza el balance energético de la glucólisis, su localización celular y el destino del ácido pirúvico formado.
Por cada molécula de glucosa que ingresa en esta vía, se obtiene: 2 moléculas de ácido pirúvico. 2 moléculas de ATP (cuatro formadas menos dos gastadas). 2 moléculas de NADH + H+. Estas reacciones tienen lugar en el hialoplasma. El destino del ácido pirúvico es diferente según las condiciones: En condiciones aerobias, el ácido pirúvico es descarboxilado a acetil-CoA y oxidado completamente mediante el ciclo de Krebs en la mitocondria. En condiciones anaerobias, el ácido pirúvico es reducido mediante la fermentación a ácido láctico u otro compuesto en el citoplasma.
37.- ¿A qué se denomina fosforólisis? ¿Qué enzimas intervienen en este proceso y cómo se lleva a cabo?
Es la ruptura del enlace glucosídico ( 1 4) del almidón y el glucógeno por adición de fosfato inorgánico. Dicha ruptura es catalizada por las fosforilasas. La fosforilasa actúa con el coenzima fosfato de piridoxal. El proceso continúa con la eliminación sucesiva de restos de glucosa de la cadena hasta que se encuentra con una ramificación ( 6). El enzima 1 6-glucosidasa hidroliza la rama y la fosforilasa continúa actuando.
38.- ¿Qué importante ruta metabólica se inicia con la condensación del acetato y el oxalacetato? ¿De dónde proviene fundamentalmente el acetato? ¿Dónde tiene lugar esta ruta metabólica?
Esta ruta es el ciclo de Krebs (llamado también del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos) en la que la condensación de estos dos compuestos origina el ácido cítrico. Al final del ciclo se recupera el oxalacetato, que puede incorporar una nueva molécula de acetato. El acetato proviene de: La degradación de los ácidos grasos en la -oxidación o hélice de Lynen. La descarboxilación oxidativa del piruvato obtenido fundamentalmente, en la glucólisis. El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial.
39.- El monóxido de carbono es un poderoso inhibidor de la citocromo-oxidasa, complejo enzimático de la cadena respiratoria mitocondrial. ¿Qué efectos puede tener la intoxicación con monóxido de carbono sobre el consumo de O2 en la mitocondria? ¿Y sobre la producción de ATP? Razona la respuesta.
La producción de ATP asociada a la cadena cesa. No obstante, existen otras fuentes de ATP, como son las fosforilaciones al nivel del sustrato (iguales a las que tienen lugar en la glucólisis), que, como es el caso de las células musculares mediante la fermentación, podrían aportar ATP a la célula, aunque en cantidad mucho menor. El consumo de O2 cesaría también, ya que, al bloquearse el transporte de electrones, la función del papel del O2 como aceptor final desaparece. Los coenzimas, FADH2 y NADH + H+, que se han reducido en las rutas catabólicas no pueden oxidarse de nuevo y, en consecuencia, dichas rutas tampoco podrían seguir funcionando. En resumen, sin ATP suficiente y sin FAD y NAD+ para poder realizar reacciones oxidativas, la célula no podría desarrollar sus funciones, y moriría. Cuando esta muerte celular es elevada y afecta a órganos importantes como el cerebro, se produciría la muerte del organismo.
40.- ¿Qué sistemas de lanzaderas existen para que el NADH penetre en la matriz mitocondrial desde el citosol?
Como el NADH no puede llegar directamente a la matriz, existen unos sistemas de lanzaderas que trasladan los equivalentes de reducción al interior. Lanzadera del malato. En el hígado y el corazón, el NADH cede los hidrógenos al oxalacetato y se forma malato. Este penetra en la mitocondria, donde cede los hidrógenos al NAD+ intramitocondrial, que en la cadena respiratoria rendirá 3 ATP. Lanzadera del glicerofosfato. Este sistema de lanzadera lo emplea el músculo, que cede los electrones al complejo II, por lo que se producirá un ATP menos, es decir, dos ATP.
41.- ¿Qué es el catabolismo? ¿Qué tipos de catabolismo se distinguen según el grado de oxidación?
Es un proceso destructivo en el que, a partir de sustancias complejas, se obtienen otras más simples y energía, que se utilizará para la producción de calor, el movimiento, la biosíntesis, etc. El catabolismo es semejante en los organismos autótrofos y en los heterótrofos. Son transformaciones químicas, en su mayor parte reacciones de óxido-reducción, en las que unos compuestos se oxidan a expensas de otros que se reducen. Dentro del catabolismo, la respiración es la oxidación completa de la materia orgánica, formándose CO2 y H2O, mientras que la fermentación se produce cuando hay oxidación incompleta, es decir, que en el producto aparece algún compuesto orgánico.
42.- Describe la fermentación alcohólica y representa la reacción global resumida. Indica algún organismo responsable de dicha fermentación. ¿Qué productos se obtienen de ella?
La fermentación alcohólica se produce en el hialoplasma de ciertas levaduras del género Saccharomyces en condiciones anaeróbicas. Este proceso es la continuación de la vía glucolítica que se produce también en condiciones anaeróbicas en el hialoplasma de todas las células. En esta primera fase de la fermentación se obtiene energía (ATP) y se forma NADH + H+ (coenzima reducido). El NADH + H+ debe volver a oxidarse para que el proceso continúe. La reoxidación del NADH + H+ tiene lugar, en este caso, por la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, que conlleva la obtención de alcohol etílico. Este proceso se aprovecha en la industria para la fermentación del pan y la obtención de bebidas alcohólicas.
43.- ¿Cómo se incorporan el almidón y el glucógeno a la glucólisis?
El almidón constituye la reserva del combustible glucosa en los vegetales, y el glucógeno, en los animales. La obtención de glucosa a partir de estos polisacáridos está catalizada por los correspondientes enzimas, las fosforilasas (almidónfosforilasa y glucogenofosforilasa), que producen la fosforólisis o ruptura del enlace glucosídico ( 1 4) por adición de fosfato inorgánico.
44.- ¿En qué consiste la respiración celular desde el punto de vista metabólico? ¿Qué células la llevan a cabo y en qué lugar de la célula se produce?
La respiración celular es un conjunto de transformaciones químicas o secuencias de reacciones que tienen la función de proporcionar energía para el trabajo celular y para la biosíntesis. Es una ruta catabólica aerobia que llevan a cabo las células eucarióticas, tanto animales como vegetales, y muchas procarióticas. En las primeras, las etapas centrales del proceso se producen en las mitocondrias. En las segundas, en el citosol, aunque los enzimas más importantes se encuentran en la membrana celular.
45.- Explica, de forma razonada, el balance energético del catabolismo del siguiente compuesto: CH3-(CH2)14-COOH.
Se trata de un ácido graso saturado de número par de carbonos (16), en concreto, es el ácido palmítico. Estos ácidos grasos, una vez activados mediante su unión con el CoA, inician su degradación en la matriz mitocondrial en la ruta llamada -oxidación. En cada vuelta de la hélice de Lynen se desprende una molécula de acetil-CoA y se forma un NADH y un FADH2. Para degradar una molécula de ácido graso de 16 C hace falta dar 7 vueltas a la hélice de Lynen, y así se obtienen: 8 moléculas de acetil-CoA, 7 de NADH y 7 de FADH2. Las 8 moléculas de acetil-CoA se incorporan al ciclo de Krebs para su total transformación en CO2. Por 8 vueltas al ciclo de Krebs se obtiene: 8 2 = 16 CO2. 8 3 = 24 NADH. 8 1 = 8 FADH2. 8 1 = 8 GTP (= 8 ATP). Los NADH y FADH2 se reoxidan en la cadena de transporte electrónico. Por cada NADH se obtiene 3 ATP, y por cada FADH2, 2 ATP. En total: (7+24) = 31 NADH 3 = 63 ATP. (7 +8) = 15 FADH2 2 = 30 ATP. TOTAL 93 + 8 = 101 ATP.
46.- ¿Cuál es el papel del ciclo de Krebs en el metabolismo celular?
El ciclo de Krebs constituye una etapa de la respiración oxidativa y tiene lugar en la matriz mitocondrial. Consiste en la oxidación completa a CO2 de moléculas de acetil-CoA, que se incorporan a un ciclo de reacciones. En cada vuelta del ciclo de Krebs, se incorpora una molécula de acetil-CoA, y salen de él: Dos moléculas de CO2. Cuatro moléculas de coenzimas reducidas (3NADH y 1 FADH2). Una molécula de GTP equivalente a ATP. El acetil-CoA que se incorpora al ciclo y es oxidado a CO2 procede de la degradación de los principios inmediatos, principalmente de ácidos grasos y de azúcares. De todo ello, podemos concluir que el ciclo de Krebs es la vía metabólica en la que termina la degradación total de la materia orgánica y se transforma en inorgánica. Además, estas oxidaciones proporcionan energía (ATP) que se obtiene, bien directamente en este ciclo (sólo 1 ATP), o bien reoxidando los coenzimas reducidos en la cadena de transporte de electrones, localizada en la membrana mitocondrial interna. Aunque el ciclo de Krebs es eminentemente catabólico, de él parten también importantes rutas anabólicas. Por ejemplo, el ácido -cetoglutárico puede servir, previa transformación, en glutámico para sintetizar los aminoácidos no esenciales. Por otra parte, el ácido cítrico, una vez transformado en acetil-CoA, será utilizado para fabricar ácidos grasos, y el ácido oxalacético puede transformarse en glucosa si se incorpora a la vía de la neoglucogénesis.
47.- ¿En qué consiste la fosforilación oxidativa?
La energía liberada en el transporte de electrones permite bombear los protones desde la matriz al espacio intermembrana. Hay tres puntos en la cadena respiratoria en los que ocurre esta translocación de protones, que, debido a la impermeabilidad de la membrana mitocondrial interna, se acumulan en el espacio intermembrana. Así se origina un gradiente electroquímico de protones y un gradiente eléctrico (potencial de membrana). Debido a la impermeabilidad de la membrana interna, el retorno de protones a la matriz solo puede hacerse a través de la ATP sintetasa. La ATP sintetasa cambia su conformación y se activa para fosforilar el ADP y pasarlo a ATP. La hipótesis que explica el acoplamiento de estos dos procesos, uno químico, de oxidación-reducción en la cadena respiratoria, y otro osmótico, de transporte de protones, se conoce con el nombre de hipótesis quimiosmótica, dada por Mitchell, y su resultado es la fosforilación oxidativa. Cada NADH2 que llega a la cadena respiratoria cede una pareja de e-, que en su transporte liberan energía suficiente para bombear 6 H+ desde la matriz al espacio intermembrana. Si los electrones proceden del FADH2, solo se bombean 4 H+. Por cada 2 H+ que vuelven a la matriz a través de la ATP sintetasa, se fosforila 1 ADP. Por tanto, se pueden obtener 3 ATP por cada NADH obtenido en el catabolismo, y 2 ATP por cada FADH2.
48.- A continuación aparecen algunas reacciones generales de varios procesos metabólicos. Indica a qué rutas metabólicas corresponde cada reacción. A) Glucosa + O2 CO2 + H2O + ATP. B) Ácido graso + O2 CO2 + H2O + ATP. C) Glucosa Alcohol etílico + CO2 + ATP
A) Esta reacción corresponde a la ecuación general de la respiración aerobia de la glucosa. Es una ruta catabólica, puesto que se descomponen moléculas complejas (glucosa) en otras más simples (CO2 + H2O), y se desprende energía para formar ATP.
B) Esta reacción se corresponde con una ruta catabólica (catabolismo de los ácidos grasos), puesto que se descomponen moléculas complejas (ácidos grasos) en otras más simples (CO2 + H2O), y se desprende energía que se utiliza para formar ATP.
C) Esta reacción corresponde a la ecuación general de la fermentación alcohólica de la glucosa. Es una ruta catabólica, puesto que se descomponen moléculas complejas (glucosa) en otras más simples (alcohol etílico y CO2), y se desprende energía para formar ATP.
49.- ¿En qué fases se divide la respiración celular? Explica qué ocurre en cada una de ellas.
1-Primera fase: oxidación parcial a acetato. Formación de acetil-CoA. Los esqueletos hidrocarbonados de la mayoría de las moléculas orgánicas se escinden y se transforman en un compuesto de dos carbonos: el ácido acético. El ácido acético está activado por el coenzima A, mediante un enlace tioéster de alta energía. Tanto los ácidos grasos como la glucosa y algunos aminoácidos darán lugar a la acetil-CoA, que es un punto de conexión de las rutas catabólicas en las que las moléculas orgánicas se oxidan parcialmente.
49.- ¿En qué fases se divide la respiración celular? Explica qué ocurre en cada una de ellas.
1-Primera fase: oxidación parcial a acetato. Formación de acetil-CoA. Los esqueletos hidrocarbonados de la mayoría de las moléculas orgánicas se escinden y se transforman en un compuesto de dos carbonos: el ácido acético. El ácido acético está activado por el coenzima A, mediante un enlace tioéster de alta energía. Tanto los ácidos grasos como la glucosa y algunos aminoácidos darán lugar a la acetil-CoA, que es un punto de conexión de las rutas catabólicas en las que las moléculas orgánicas se oxidan parcialmente.
2-Segunda fase: ciclo del ácido cítrico o de Krebs. El acetil-CoA se condensará con un ácido de 4 carbonos para formar el ácido cítrico, de 6 carbonos. A lo largo de esta ruta circular se oxidarán intermediarios hasta rendir dos moléculas de CO2 y 8 hidrógenos (4 pares de electrones) transportados por NAD+ y FAD. En la ruta entra un esqueleto de dos carbonos, el ácido acético, y salen dos carbonos en forma oxidada. El ciclo cataliza la descomposición del acético. En cada vuelta se incorporará una molécula de ácido acético. 3-Tercera fase: cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa. Los intermediarios NADH y FADH2 ceden los electrones a una cadena de transporte en la que una serie de proteínas en cascada transfieren los electrones al O2. Acoplada a esta cadena se produce la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi.
50.- ¿De qué formas se elimina el amonio, tóxico para el organismo, proveniente del catabolismo de los aminoácidos?
En los mamíferos y otros animales, como los anfibios, el amonio terminará formando parte de la urea, molécula que se excreta por la orina. En reptiles, aves e invertebrados terrestres el nitrógeno se excreta en forma de ácido úrico. En animales acuáticos se elimina directamente en forma de amoniaco.
51.- ¿El ácido pirúvico ingresa directamente en el ciclo de Krebs? Razona la respuesta.
Al ciclo de Krebs no se incorpora ácido pirúvico, sino acetilCoA. El pirúvico, que procede del hialoplasma, penetra en la mitocondria, donde es transformado en acético por la acción de un complejo enzimático llamado piruvato deshidrogenasa. El acetato activado por la coenzima A se une al oxalacetato, formando ácido cítrico. En este ciclo el acetato es degradado y transformado en CO2.
52.- ¿Cómo ocurre la transferencia de electrones desde el NADH al O2? Explícalo ayudándote de un esquema.
La transferencia de electrones desde el NADH al O2 es un proceso complejo que desprende gran cantidad de energía libre. Si esta oxidación se produjera en un solo paso, se produciría gran cantidad de calor, lo que supondría la incompatibilidad con las condiciones celulares. El proceso transcurre de una forma suave a través de pequeños cambios de energía, lo que la hace más aprovechable. Los electrones fluyen desde el NADH hasta el oxígeno por medio de un gran número de proteínas transportadoras y coenzimas reunidos en tres grandes complejos: Complejo I: NADH-Q reductasa. Complejo III: citocromo-reductasa. Complejo IV:citocromo oxidasa. El FADH2 cede sus electrones a través del succinato-Q reductasa o Complejo II.
53.- ¿Cómo se produce la regulación del proceso respiratorio?
La regulación de la velocidad del proceso respiratorio está determinada por la cantidad de energía que necesita la célula. En la glucólisis la fosforilación de la fructosa 6-P está catalizada por un enzima alostérico, por lo que este es un importante punto de regulación y control de la glucólisis. En el ciclo del ácido cítrico, el paso de oxalacetato a ácido cítrico, de isocítrico a -cetoglutárico y de -cetoglutárico a succinil-CoA están catalizados por enzimas alostéricos que son inhibidos por el ATP y activados por el ADP. Estos mecanismos están coordinados, de forma que solo se produce la cantidad de metabolitos necesaria.
54.- ¿En qué fases se divide la fotosíntesis? Indica su localización celular.
La fotosíntesis es un proceso de nutrición autótrofa. Consiste en sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía de la luz, y liberándose oxígeno a la atmósfera. La fotosíntesis tiene lugar en dos fases: La fase luminosa se produce solo en presencia de luz y se realiza en la membrana de los tilacoides, en los cloroplastos. Durante esta fase los pigmentos fotosintéticos captan la energía de la luz y la transforman en energía química: en forma de poder reductor (NADPH) y energía libre (ATP). En esta fase se libera oxígeno a la atmósfera procedente de la rotura de moléculas de agua (fotólisis del agua). La fase oscura es una ruta metabólica cíclica llamada ciclo de Calvin. Se realiza en el estroma del cloroplasto y es independiente de la luz. Consiste en la reducción de moléculas de CO2, para obtener moléculas orgánicas, utilizando la energía producida en la fase lumínica (NADPH y ATP).
55.- ¿Cómo se sintetiza el ATP durante la fase lumínica de la fotosíntesis?
La síntesis de ATP en la fase lumínica de la fotosíntesis se realiza en un proceso llamado fosforilación fotosintética o fotofosforilación.La cadena fotosintética presenta una orientación específica en la membrana del tilacoide. Esta orientación permite que durante el transporte de electrones (tanto cíclico como no cíclico) se produzca la liberación de H+ al espacio intratilacoide.Durante el transporte no cíclico, se traslocan protones desde el estroma hasta el lumen por acción del complejo cit bf. Además, se acumulan los protones procedentes de la fotólisis del agua.En el transporte cíclico, únicamente se acumulan los traslocados por el complejo cit bf, debido a que no se produce fotólisis del agua.La acumulación de H+ en el espacio intratilacoide crea un gradiente de pH, que es aprovechado por la ATP sintetasa cloroplástica para sintetizar ATP. La base hidrófoba de la ATPasa forma un canal, por donde salen los H+, desde el espacio intratilacoide hasta el estroma. La energía liberada por la corriente de H+ se convierte en energía química en la esfera CF1, que sintetiza ATP a partir de ADP+Pi. Por cada par de protones que atraviesan la ATP sintetasa, se libera energía para sintetizar entre una y dos moléculas de ATP.
56.- Fase oscura de la fotosíntesis:a) ¿Cuántas moléculas de NADPH y de ATP son necesarias para sintetizar una molécula de glucosa? b) Señala las reacciones del ciclo de Calvin en las que se utiliza el NADPH y el ATP.c) Formula la ecuación general de la fase oscura de la fotosíntesis para la formación de una molécula de glucosa.
a) Para sintetizar una molécula de glucosa durante el ciclo de Calvin, se necesita el poder reductor aportado por 12 moléculas de NADPH y la energía de 18 moléculas de ATP. Estas moléculas se fabrican en la fase lumínica de la fotosíntesis.
50.- ¿De qué formas se elimina el amonio, tóxico para el organismo, proveniente del catabolismo de los aminoácidos?
En los mamíferos y otros animales, como los anfibios, el amonio terminará formando parte de la urea, molécula que se excreta por la orina. En reptiles, aves e invertebrados terrestres el nitrógeno se excreta en forma de ácido úrico. En animales acuáticos se elimina directamente en forma de amoniaco.
51.- ¿El ácido pirúvico ingresa directamente en el ciclo de Krebs? Razona la respuesta.
Al ciclo de Krebs no se incorpora ácido pirúvico, sino acetilCoA. El pirúvico, que procede del hialoplasma, penetra en la mitocondria, donde es transformado en acético por la acción de un complejo enzimático llamado piruvato deshidrogenasa. El acetato activado por la coenzima A se une al oxalacetato, formando ácido cítrico. En este ciclo el acetato es degradado y transformado en CO2.
52.- ¿Cómo ocurre la transferencia de electrones desde el NADH al O2? Explícalo ayudándote de un esquema.
La transferencia de electrones desde el NADH al O2 es un proceso complejo que desprende gran cantidad de energía libre. Si esta oxidación se produjera en un solo paso, se produciría gran cantidad de calor, lo que supondría la incompatibilidad con las condiciones celulares. El proceso transcurre de una forma suave a través de pequeños cambios de energía, lo que la hace más aprovechable. Los electrones fluyen desde el NADH hasta el oxígeno por medio de un gran número de proteínas transportadoras y coenzimas reunidos en tres grandes complejos: Complejo I: NADH-Q reductasa. Complejo III: citocromo-reductasa. Complejo IV:citocromo oxidasa. El FADH2 cede sus electrones a través del succinato-Q reductasa o Complejo II.
53.- ¿Cómo se produce la regulación del proceso respiratorio?
La regulación de la velocidad del proceso respiratorio está determinada por la cantidad de energía que necesita la célula. En la glucólisis la fosforilación de la fructosa 6-P está catalizada por un enzima alostérico, por lo que este es un importante punto de regulación y control de la glucólisis. En el ciclo del ácido cítrico, el paso de oxalacetato a ácido cítrico, de isocítrico a -cetoglutárico y de -cetoglutárico a succinil-CoA están catalizados por enzimas alostéricos que son inhibidos por el ATP y activados por el ADP. Estos mecanismos están coordinados, de forma que solo se produce la cantidad de metabolitos necesaria.
54.- ¿En qué fases se divide la fotosíntesis? Indica su localización celular.
La fotosíntesis es un proceso de nutrición autótrofa. Consiste en sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía de la luz, y liberándose oxígeno a la atmósfera. La fotosíntesis tiene lugar en dos fases: La fase luminosa se produce solo en presencia de luz y se realiza en la membrana de los tilacoides, en los cloroplastos. Durante esta fase los pigmentos fotosintéticos captan la energía de la luz y la transforman en energía química: en forma de poder reductor (NADPH) y energía libre (ATP). En esta fase se libera oxígeno a la atmósfera procedente de la rotura de moléculas de agua (fotólisis del agua). La fase oscura es una ruta metabólica cíclica llamada ciclo de Calvin. Se realiza en el estroma del cloroplasto y es independiente de la luz. Consiste en la reducción de moléculas de CO2, para obtener moléculas orgánicas, utilizando la energía producida en la fase lumínica (NADPH y ATP).
55.- ¿Cómo se sintetiza el ATP durante la fase lumínica de la fotosíntesis?
La síntesis de ATP en la fase lumínica de la fotosíntesis se realiza en un proceso llamado fosforilación fotosintética o fotofosforilación.La cadena fotosintética presenta una orientación específica en la membrana del tilacoide. Esta orientación permite que durante el transporte de electrones (tanto cíclico como no cíclico) se produzca la liberación de H+ al espacio intratilacoide.Durante el transporte no cíclico, se traslocan protones desde el estroma hasta el lumen por acción del complejo cit bf. Además, se acumulan los protones procedentes de la fotólisis del agua.En el transporte cíclico, únicamente se acumulan los traslocados por el complejo cit bf, debido a que no se produce fotólisis del agua.La acumulación de H+ en el espacio intratilacoide crea un gradiente de pH, que es aprovechado por la ATP sintetasa cloroplástica para sintetizar ATP. La base hidrófoba de la ATPasa forma un canal, por donde salen los H+, desde el espacio intratilacoide hasta el estroma. La energía liberada por la corriente de H+ se convierte en energía química en la esfera CF1, que sintetiza ATP a partir de ADP+Pi. Por cada par de protones que atraviesan la ATP sintetasa, se libera energía para sintetizar entre una y dos moléculas de ATP.
56.- Fase oscura de la fotosíntesis:a) ¿Cuántas moléculas de NADPH y de ATP son necesarias para sintetizar una molécula de glucosa? b) Señala las reacciones del ciclo de Calvin en las que se utiliza el NADPH y el ATP.c) Formula la ecuación general de la fase oscura de la fotosíntesis para la formación de una molécula de glucosa.
a) Para sintetizar una molécula de glucosa durante el ciclo de Calvin, se necesita el poder reductor aportado por 12 moléculas de NADPH y la energía de 18 moléculas de ATP. Estas moléculas se fabrican en la fase lumínica de la fotosíntesis.
b) Las moléculas de NADPH y de ATP que se utilizan en el ciclo de Calvin son consumidas en la fase de reducción, que se lleva a cabo en dos etapas: Primero se produce la fosforilación del 3 PG a 1,3 difosfoglicerato por acción del ATP. Posteriormente, el 1,3 difosfoglicerato es reducido por el NADPH a gliceraldehído-3-P, que se encuentra en equilibrio con la DHAP. Esta reacción está catalizada por la enzima G-3-P deshidrogenasa. Además, en la fase de regeneración, se utilizan moléculas de ATP para fosforilar la ribulosa 5 fosfato a ribulosa 1,5 difosfato, cerrándose el ciclo.
c) Balance global de la fase oscura:
57.- Justifica las siguientes afirmaciones:a) Las plantas C4 presentan menos pérdidas por fotorrespiración y un crecimiento más rápido que las plantas C3. b) La alternativa C4 necesita más energía para fijar el CO2 que la C3.
a) La alternativa C4 es un mecanismo para aumentar la concentración de CO2 en las células túnico-vasculares, que son las que realizan la fotosíntesis. En estas células, gracias al ciclo de Hatch y Slack, la relación CO2/O2 permanece siempre elevada. Esto provoca la disminución de la fotorrespiración por la inhibición de la acción oxidativa de la rubisco (ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa), y el aumento de la actividad fotosintética al estimularse la carboxilación de la ribulosa 1,5 difosfato. El hecho de que se vea favorecida la fotosíntesis implica una mayor producción de biomasa y el crecimiento más rápido del vegetal.
57.- Justifica las siguientes afirmaciones:a) Las plantas C4 presentan menos pérdidas por fotorrespiración y un crecimiento más rápido que las plantas C3. b) La alternativa C4 necesita más energía para fijar el CO2 que la C3.
a) La alternativa C4 es un mecanismo para aumentar la concentración de CO2 en las células túnico-vasculares, que son las que realizan la fotosíntesis. En estas células, gracias al ciclo de Hatch y Slack, la relación CO2/O2 permanece siempre elevada. Esto provoca la disminución de la fotorrespiración por la inhibición de la acción oxidativa de la rubisco (ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa), y el aumento de la actividad fotosintética al estimularse la carboxilación de la ribulosa 1,5 difosfato. El hecho de que se vea favorecida la fotosíntesis implica una mayor producción de biomasa y el crecimiento más rápido del vegetal.
b) La ruta de fijación del CO2 en las plantas C4 conlleva un gasto de energía mayor que en las C3. Las plantas C4 necesitan cinco moléculas de ATP para fijar una molécula de CO2, mientras que las C3 solo necesitan tres. La diferencia de ATP se justifica por el hecho de que, por cada molécula de CO2 que fijan las plantas C4, debe regenerarse una molécula de fosfoenolpirúvico a expensas del ATP. A pesar de que el consuno de energía sea mayor, la eficiencia de las plantas C4 es más elevada que la de las C3, ya que disminuyen notablemente las pérdidas por fotorrespiración.
58.- ¿Qué es la quimiosíntesis? Explica sus fases.
La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas. La quimiosíntesis se divide en dos fases, equivalentes a las fases lumínica y oscura de la fotosíntesis: Obtención de energía. En la quimiosíntesis la energía se obtiene de reacciones químicas inorgánicas y exergónicas, en las que se produce una oxidación que desprende energía en forma de ATP y coenzimas reducidas (NADH). Producción de materia orgánica. El ATP y el NADH obtenidos en la fase anterior se utilizan para la síntesis de materia orgánica por medio del ciclo de Calvin.
59.- ¿De dónde procede el oxígeno desprendido en la fotosíntesis? ¿Cómo demostrarías experimentalmente este hecho?
El O2 liberado durante la fotosíntesis procede del agua que es la molécula que actúa como dador de electrones. Durante la fotolisis la molécula de agua se rompe y libera H+, que servirán para reducir el CO2 a moléculas orgánicas. El oxígeno se libera a la atmósfera como producto residual. Se puede comprobar experimentalmente con la utilización del isótopo O18. Si se proporciona a una planta agua marcada (H2O18), se obtiene oxígeno con actividad radiactiva.
60.- Contesta a las siguientes cuestiones relacionadas con la fase lumínica de la fotosíntesis: a) Enumera las diferencias entre el transporte de electrones cíclico y el no cíclico. b) ¿En qué circunstancias metabólicas se produce el transporte cíclico de electrones? c) Justifica el número de fotones necesarios para liberar una molécula de oxígeno a la atmósfera.
a) Diferencias entre el transporte cíclico y el transporte no cíclico
58.- ¿Qué es la quimiosíntesis? Explica sus fases.
La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas. La quimiosíntesis se divide en dos fases, equivalentes a las fases lumínica y oscura de la fotosíntesis: Obtención de energía. En la quimiosíntesis la energía se obtiene de reacciones químicas inorgánicas y exergónicas, en las que se produce una oxidación que desprende energía en forma de ATP y coenzimas reducidas (NADH). Producción de materia orgánica. El ATP y el NADH obtenidos en la fase anterior se utilizan para la síntesis de materia orgánica por medio del ciclo de Calvin.
59.- ¿De dónde procede el oxígeno desprendido en la fotosíntesis? ¿Cómo demostrarías experimentalmente este hecho?
El O2 liberado durante la fotosíntesis procede del agua que es la molécula que actúa como dador de electrones. Durante la fotolisis la molécula de agua se rompe y libera H+, que servirán para reducir el CO2 a moléculas orgánicas. El oxígeno se libera a la atmósfera como producto residual. Se puede comprobar experimentalmente con la utilización del isótopo O18. Si se proporciona a una planta agua marcada (H2O18), se obtiene oxígeno con actividad radiactiva.
60.- Contesta a las siguientes cuestiones relacionadas con la fase lumínica de la fotosíntesis: a) Enumera las diferencias entre el transporte de electrones cíclico y el no cíclico. b) ¿En qué circunstancias metabólicas se produce el transporte cíclico de electrones? c) Justifica el número de fotones necesarios para liberar una molécula de oxígeno a la atmósfera.
a) Diferencias entre el transporte cíclico y el transporte no cíclico
b) El transporte cíclico se realiza cuando en los cloroplastos escasea el NADP+. En estas circunstancias, los electrones captados por la ferredoxina se transportan al citocromo bf al no encontrar moléculas de NADP oxidadas. El citocromo bf devuelve los electrones, nuevamente, al PS I. Probablemente este tipo de transporte sea, también, una forma de producir ATP para otras funciones celulares.
c) El recorrido de un electrón desde el H2O hasta el NADP+ necesita la energía proporcionada por dos fotones, que incidirán en cada uno de los fotosistemas. Como la formación de una molécula O2 requiere la rotura de dos moléculas de agua y, por tanto, el transporte de 4 electrones por la cadena fotosintética, serán necesarios 8 fotones para liberar una molécula de O2.
61.- Justifica la obtención neta de una molécula de glucosa a través de las etapas del ciclo de Calvin.La obtención de una molécula de glucosa (hexosa de 6 átomos de carbono) durante las etapas del ciclo de Calvin requiere la fijación de 6 moléculas de CO2. Estas son las que, en el balance global, originarán la molécula de glucosa. Este proceso requiere que el ciclo se produzca seis veces. Así, 6 moléculas de CO2 se fijarán sobre 6 moléculas orgánicas de 5 carbonos (la ribulosa 1,5 difosfato), las cuales se rompen en 12 moléculas de 3 átomos de carbono (12 moléculas de 3 PG). En este momento existen 36 átomos de carbono en moléculas orgánicas. 12 moléculas x 3 carbonos = 36 átomos de carbono Tras la fase de reducción, de las 12 moléculas de 3 PG se obtienen 12 triosas fosforiladas (DHAP y G-3-P). De estas 12 moléculas, 2 (6 carbonos) se utilizarán para sintetizar una molécula de glucosa (6 carbonos), y las 10 restantes (30 carbonos) para regenerar las 6 moléculas de ribulosa 1,5 difosfato (6 moléculas x 5 carbonos = 30 carbonos) sobre las que se fijó el CO2.
62.- La temperatura es un factor que influye en la actividad de la ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa desviando su actividad hacia la oxidación de la ribulosa. ¿Qué mecanismos han desarrollado las plantas de climas cálidos para evitar las pérdidas por fotorrespiración?
Las plantas de climas cálidos, para contrarrestar el efecto de la fotorrespiración, han desarrollado mecanismos para concentrar y fijar el CO2. Estos mecanismos constituyen el ciclo de Hatch y Slack que se basa en la acción coordinada de dos tipos de células de la hoja. Las primeras son las células del mesófilo, que rodean a las segundas, que forman la túnica de la vaina. Estas, a su vez, circundan a los vasos conductores. El ciclo de Hatch y Slack se puede resumir en los siguientes pasos: Las células del mesófilo reciben el CO2, que penetra por los estomas, y lo incorporan al fosfoenolpiruvato para formar una molécula de 4 carbonos: el oxalacetato. El oxalacetato se reduce a malato, que es transportado a las células de la túnica vascular. Allí sufre una descarboxilación, rindiendo piruvato y CO2, que se incorporará al ciclo de Calvin. El piruvato es devuelto a las células del mesófilo, donde se transforma en fosfoenolpirúvico con gasto de ATP y NADH. Los vegetales que utilizan esta vía se denominan C4, porque incorporan el CO2 en un compuesto de 4 carbonos, a diferencia de los C3 que lo incorporan, directamente, en el 3-fosfoglicerato (3 PG).
63.- ¿De qué forma obtienen la energía los organismos fotosintéticos? ¿Qué diferencias existen entre la fotosíntesis y la quimiosíntesis?
Los organismos quimiosintéticos obtienen la energía de reacciones químicas inorgánicas y exergónicas, en las que se produce una oxidación que desprende energía, aprovechándose en forma de ATP y coenzimas reducidas (NADH). La diferencia entre la fotosíntesis y la quimiosíntesis se encuentra en la forma de obtención de energía. En la fotosíntesis la energía necesaria para reducir el CO2 durante el ciclo de Calvin procede de la luz, mientras que en la quimiosíntesis procede de reacciones redox exergónicas, en las que se oxidan compuestos inorgánicos. La síntesis de materia orgánica se realiza, en los dos casos, a través del ciclo de Calvin.
64.- ¿Qué características definen a los organismos quimiosintéticos?
Los organismos quimiosintéticos presentan una serie de características comunes: Son procariontes. Solamente algunas bacterias poseen metabolismo quimiosintético. Viven de una fuente inorgánica: agua, sales, O2, CO2 y compuestos orgánicos de cuya oxidación obtienen energía. Obtienen la energía de una reacción química específica. Solamente crecen con compuestos específicos de origen inorgánico o producidos por la actividad de otros organismos. Son aerobios. Utilizan el oxígeno como último aceptor de electrones. Sintetizan materia orgánica por medio del ciclo de Calvin.
65.- Contesta las siguientes cuestiones relacionadas con la fotosíntesis: a) Escribe la ecuación general. b) Indica qué moléculas actúan de dador y cuáles de aceptor de electrones. c) ¿Es directa la reacción de óxido-reducción, tal como se representa en la ecuación general? d) Explica la procedencia del O2 liberado en el proceso. e) ¿La fotosíntesis es un proceso espontáneo o requiere aporte de energía?
a) La ecuación general de la fotosíntesis es la siguiente:
61.- Justifica la obtención neta de una molécula de glucosa a través de las etapas del ciclo de Calvin.La obtención de una molécula de glucosa (hexosa de 6 átomos de carbono) durante las etapas del ciclo de Calvin requiere la fijación de 6 moléculas de CO2. Estas son las que, en el balance global, originarán la molécula de glucosa. Este proceso requiere que el ciclo se produzca seis veces. Así, 6 moléculas de CO2 se fijarán sobre 6 moléculas orgánicas de 5 carbonos (la ribulosa 1,5 difosfato), las cuales se rompen en 12 moléculas de 3 átomos de carbono (12 moléculas de 3 PG). En este momento existen 36 átomos de carbono en moléculas orgánicas. 12 moléculas x 3 carbonos = 36 átomos de carbono Tras la fase de reducción, de las 12 moléculas de 3 PG se obtienen 12 triosas fosforiladas (DHAP y G-3-P). De estas 12 moléculas, 2 (6 carbonos) se utilizarán para sintetizar una molécula de glucosa (6 carbonos), y las 10 restantes (30 carbonos) para regenerar las 6 moléculas de ribulosa 1,5 difosfato (6 moléculas x 5 carbonos = 30 carbonos) sobre las que se fijó el CO2.
62.- La temperatura es un factor que influye en la actividad de la ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa desviando su actividad hacia la oxidación de la ribulosa. ¿Qué mecanismos han desarrollado las plantas de climas cálidos para evitar las pérdidas por fotorrespiración?
Las plantas de climas cálidos, para contrarrestar el efecto de la fotorrespiración, han desarrollado mecanismos para concentrar y fijar el CO2. Estos mecanismos constituyen el ciclo de Hatch y Slack que se basa en la acción coordinada de dos tipos de células de la hoja. Las primeras son las células del mesófilo, que rodean a las segundas, que forman la túnica de la vaina. Estas, a su vez, circundan a los vasos conductores. El ciclo de Hatch y Slack se puede resumir en los siguientes pasos: Las células del mesófilo reciben el CO2, que penetra por los estomas, y lo incorporan al fosfoenolpiruvato para formar una molécula de 4 carbonos: el oxalacetato. El oxalacetato se reduce a malato, que es transportado a las células de la túnica vascular. Allí sufre una descarboxilación, rindiendo piruvato y CO2, que se incorporará al ciclo de Calvin. El piruvato es devuelto a las células del mesófilo, donde se transforma en fosfoenolpirúvico con gasto de ATP y NADH. Los vegetales que utilizan esta vía se denominan C4, porque incorporan el CO2 en un compuesto de 4 carbonos, a diferencia de los C3 que lo incorporan, directamente, en el 3-fosfoglicerato (3 PG).
63.- ¿De qué forma obtienen la energía los organismos fotosintéticos? ¿Qué diferencias existen entre la fotosíntesis y la quimiosíntesis?
Los organismos quimiosintéticos obtienen la energía de reacciones químicas inorgánicas y exergónicas, en las que se produce una oxidación que desprende energía, aprovechándose en forma de ATP y coenzimas reducidas (NADH). La diferencia entre la fotosíntesis y la quimiosíntesis se encuentra en la forma de obtención de energía. En la fotosíntesis la energía necesaria para reducir el CO2 durante el ciclo de Calvin procede de la luz, mientras que en la quimiosíntesis procede de reacciones redox exergónicas, en las que se oxidan compuestos inorgánicos. La síntesis de materia orgánica se realiza, en los dos casos, a través del ciclo de Calvin.
64.- ¿Qué características definen a los organismos quimiosintéticos?
Los organismos quimiosintéticos presentan una serie de características comunes: Son procariontes. Solamente algunas bacterias poseen metabolismo quimiosintético. Viven de una fuente inorgánica: agua, sales, O2, CO2 y compuestos orgánicos de cuya oxidación obtienen energía. Obtienen la energía de una reacción química específica. Solamente crecen con compuestos específicos de origen inorgánico o producidos por la actividad de otros organismos. Son aerobios. Utilizan el oxígeno como último aceptor de electrones. Sintetizan materia orgánica por medio del ciclo de Calvin.
65.- Contesta las siguientes cuestiones relacionadas con la fotosíntesis: a) Escribe la ecuación general. b) Indica qué moléculas actúan de dador y cuáles de aceptor de electrones. c) ¿Es directa la reacción de óxido-reducción, tal como se representa en la ecuación general? d) Explica la procedencia del O2 liberado en el proceso. e) ¿La fotosíntesis es un proceso espontáneo o requiere aporte de energía?
a) La ecuación general de la fotosíntesis es la siguiente:
b) La fotosíntesis es un proceso anabólico y redox. El dador de electrones es el H2O en la mayoría de los casos, siendo el aceptor el CO2, que se reduce a moléculas orgánicas. Este proceso no se produce directamente, sino que se desarrolla mediante una ruta metabólica compleja.
c) El O2 es un producto resultante de la cesión de hidrógenos del H2O al CO2. Este hecho, requiere la rotura de la molécula de H2O (fotólisis) que cede los H+ al CO2 para su reducción, liberándose el O2 resultante a la atmósfera. d) La fotosíntesis es un proceso anabólico que, por tanto, no se produce espontáneamente y que requiere un aporte de energía externo al sistema, que es proporcionada por la luz.
66.- ¿Qué es un fotosistema? Explica su funcionamiento e indica su localización celular.
Los fotosistemas son conjuntos de pigmentos fotosintéticos que se encuentran localizados en la membrana del tilacoide, y que se caracterizan por presentar un máximo de absorción de la luz a una determinada longitud de onda. Los fotosistemas están constituidos por dos estructuras: Los pigmentos antena. Son un conjunto de pigmentos (carotenoides, clorofilas) que captan la energía de la luz a diferentes longitudes de onda. El centro de reacción. Está formado por una clorofila a, un aceptor de electrones y un dador de electrones. La clorofila del centro de reacción recibe la energía de la luz absorbida por la antena y es la única molécula capaz de ceder un electrón. En los vegetales superiores existen dos fotosistemas: el fotosistema I (PS I), que presenta un máximo de absorción de luz a 700 nm, y el fotosistema II (PS II), con un máximo de absorción a 680 nm. Cada pigmento de un fotosistema es capaz de captar la energía de la luz a una determinada longitud de onda. Cuando un fotón incide sobre un pigmento, hace pasar a uno de sus electrones a una órbita más alejada, a un nivel energético superior. Se dice que la molécula está excitada. El pigmento puede volver a su estado normal por varios mecanismos: Emisión de luz fluorescente o calor. Transferencia de la energía a otra molécula por resonancia. Cediendo un electrón a otra molécula. Dentro del fotosistema, la energía de excitación se transmite por resonancia, desde el pigmento que absorbe la luz a menor longitud de onda hasta el que la absorbe a mayor. Como el pigmento que absorbe la mayor longitud de onda es la clorofila a del centro de reacción, será la molécula que siempre reciba la energía de cualquier fotón captada por los pigmentos del fotosistema. Por último, la clorofila a excitada, cederá un electrón a la cadena fotosintética.
67.- Fase lumínica de la fotosíntesis: a) Explica la procedencia de la energía necesaria para el desarrollo del ciclo de Calvin. b) Explica las fases en las que se divide en proceso.
a) Tanto el poder reductor en forma de NADPH como la energía libre en forma de ATP proceden de la fase lumínica de la fotosíntesis. Durante el ciclo de Calvin, estas moléculas serán empleadas para fabricar materia orgánica a partir de la reducción de moléculas de CO2. b) La fase oscura de la fotosíntesis se puede resumir en tres fases: 1. Fijación del CO2. La fijación del CO2 consiste en su incorporación a una molécula orgánica. Se produce gracias a una reacción exergónica que consiste en la unión del CO2 a una pentosa, la ribulosa 1,5 difostato, formándose un compuesto de 6 átomos de carbono muy inestable. Este compuesto se escinde en 2 moléculas de 3- fosfoglicerato. La reacción está catalizada por la enzima ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa. 2. Reducción del ácido-3-fosfoglicérico (3 PG). Esta etapa se realiza en dos fases: Primero se produce la fosforilación del 3 PG a 1,3 difosfoglicerato por acción del ATP. Posteriormente, el 1,3 difosfoglicerato es reducido por el NADPH a gliceraldehído-3-P, que se encuentra en equilibrio con la DHAP. Esta reacción está catalizada por la enzima G-3-P deshidrogenasa. 3. Regeneración de la ribulosa. Las moléculas de G-3-P y de DHAP, formadas en la fase anterior, se transforman en compuestos de 4, 6 y 7 carbonos, mediante los cuales se regeneren las moléculas de ribulosa-5- fosfato, y se forma una molécula de glucosa. Por último, la ribulosa-5- fosfato es fosforilada a ribulosa 1,5 difosfato, con gasto de ATP. De esta forma se cierra el ciclo.
68.- Define fotorrespiración y explica cómo actúa la enzima rubisco (ribulosa1,5 difosfato carboxilasa) en el proceso.
La fotorrespiración es el proceso metabólico por el cual se produce la oxidación de la ribulosa, en presencia de O2. Esta oxidación conduce a la formación de ácido-3-fosfoglicérico y fosfoglicolato. La enzima que realiza la fotorrespiración es la ribulosa 1,5 difostato carboxilasa (rubisco), que presenta dos actividades alternativas: En presencia de CO2 realiza la carboxilación de la ribulosa 1,5 difosfato (fijación del CO2) en el proceso fotosintético normal. Cuando la concentración de O2 es alta, su actividad se desvía hacia la fotorrespiración y cataliza la oxidación de la ribulosa, dando como resultado la formación de 3-fosfoglicerato y fosfoglicolato. La fotorrespiración supone una pérdida en la eficacia de la fotosíntesis.
69.- Define los siguientes términos: a) Organismo quimiolitótrofo. b) Organismo fotolitótrofo. c) Quimiosíntesis. d) Fotosíntesis.
a) Organismo quimiolitótrofo es aquel que es capaz de sintetizar materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos, utilizando como fuente de energía la desprendida en reacciones químicas exergónicas. Realizan la quimiosíntesis.
66.- ¿Qué es un fotosistema? Explica su funcionamiento e indica su localización celular.
Los fotosistemas son conjuntos de pigmentos fotosintéticos que se encuentran localizados en la membrana del tilacoide, y que se caracterizan por presentar un máximo de absorción de la luz a una determinada longitud de onda. Los fotosistemas están constituidos por dos estructuras: Los pigmentos antena. Son un conjunto de pigmentos (carotenoides, clorofilas) que captan la energía de la luz a diferentes longitudes de onda. El centro de reacción. Está formado por una clorofila a, un aceptor de electrones y un dador de electrones. La clorofila del centro de reacción recibe la energía de la luz absorbida por la antena y es la única molécula capaz de ceder un electrón. En los vegetales superiores existen dos fotosistemas: el fotosistema I (PS I), que presenta un máximo de absorción de luz a 700 nm, y el fotosistema II (PS II), con un máximo de absorción a 680 nm. Cada pigmento de un fotosistema es capaz de captar la energía de la luz a una determinada longitud de onda. Cuando un fotón incide sobre un pigmento, hace pasar a uno de sus electrones a una órbita más alejada, a un nivel energético superior. Se dice que la molécula está excitada. El pigmento puede volver a su estado normal por varios mecanismos: Emisión de luz fluorescente o calor. Transferencia de la energía a otra molécula por resonancia. Cediendo un electrón a otra molécula. Dentro del fotosistema, la energía de excitación se transmite por resonancia, desde el pigmento que absorbe la luz a menor longitud de onda hasta el que la absorbe a mayor. Como el pigmento que absorbe la mayor longitud de onda es la clorofila a del centro de reacción, será la molécula que siempre reciba la energía de cualquier fotón captada por los pigmentos del fotosistema. Por último, la clorofila a excitada, cederá un electrón a la cadena fotosintética.
67.- Fase lumínica de la fotosíntesis: a) Explica la procedencia de la energía necesaria para el desarrollo del ciclo de Calvin. b) Explica las fases en las que se divide en proceso.
a) Tanto el poder reductor en forma de NADPH como la energía libre en forma de ATP proceden de la fase lumínica de la fotosíntesis. Durante el ciclo de Calvin, estas moléculas serán empleadas para fabricar materia orgánica a partir de la reducción de moléculas de CO2. b) La fase oscura de la fotosíntesis se puede resumir en tres fases: 1. Fijación del CO2. La fijación del CO2 consiste en su incorporación a una molécula orgánica. Se produce gracias a una reacción exergónica que consiste en la unión del CO2 a una pentosa, la ribulosa 1,5 difostato, formándose un compuesto de 6 átomos de carbono muy inestable. Este compuesto se escinde en 2 moléculas de 3- fosfoglicerato. La reacción está catalizada por la enzima ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa. 2. Reducción del ácido-3-fosfoglicérico (3 PG). Esta etapa se realiza en dos fases: Primero se produce la fosforilación del 3 PG a 1,3 difosfoglicerato por acción del ATP. Posteriormente, el 1,3 difosfoglicerato es reducido por el NADPH a gliceraldehído-3-P, que se encuentra en equilibrio con la DHAP. Esta reacción está catalizada por la enzima G-3-P deshidrogenasa. 3. Regeneración de la ribulosa. Las moléculas de G-3-P y de DHAP, formadas en la fase anterior, se transforman en compuestos de 4, 6 y 7 carbonos, mediante los cuales se regeneren las moléculas de ribulosa-5- fosfato, y se forma una molécula de glucosa. Por último, la ribulosa-5- fosfato es fosforilada a ribulosa 1,5 difosfato, con gasto de ATP. De esta forma se cierra el ciclo.
68.- Define fotorrespiración y explica cómo actúa la enzima rubisco (ribulosa1,5 difosfato carboxilasa) en el proceso.
La fotorrespiración es el proceso metabólico por el cual se produce la oxidación de la ribulosa, en presencia de O2. Esta oxidación conduce a la formación de ácido-3-fosfoglicérico y fosfoglicolato. La enzima que realiza la fotorrespiración es la ribulosa 1,5 difostato carboxilasa (rubisco), que presenta dos actividades alternativas: En presencia de CO2 realiza la carboxilación de la ribulosa 1,5 difosfato (fijación del CO2) en el proceso fotosintético normal. Cuando la concentración de O2 es alta, su actividad se desvía hacia la fotorrespiración y cataliza la oxidación de la ribulosa, dando como resultado la formación de 3-fosfoglicerato y fosfoglicolato. La fotorrespiración supone una pérdida en la eficacia de la fotosíntesis.
69.- Define los siguientes términos: a) Organismo quimiolitótrofo. b) Organismo fotolitótrofo. c) Quimiosíntesis. d) Fotosíntesis.
a) Organismo quimiolitótrofo es aquel que es capaz de sintetizar materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos, utilizando como fuente de energía la desprendida en reacciones químicas exergónicas. Realizan la quimiosíntesis.
b) Organismo fotolitotrofo. Los fotolitotrofos son organismos autótrofos, que utilizan la energía de la luz para fabricar materia orgánica a partir de inorgánica. Realizan la fotosíntesis.
c) Quimiosíntesis. La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas. d) Fotosíntesis. Es un proceso de nutrición autótrofa. Consiste en sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía de la luz y liberando oxígeno a la atmósfera.
70.- ¿Qué función realizan los organismos quimiosintéticos en la naturaleza? Señala algún ejemplo.
Los organismos quimiosintéticos desarrollan una función fundamental en la naturaleza, puesto que participan como elementos clave de los ciclos biogeoquímicos. Un ejemplo del papel de una bacteria quimiosintética en un ciclo biogeoquímico es la Nitrosomonas, que participa en el ciclo del nitrógeno, transformando el amoniaco en nitritos en una reacción llamada nitrosación. La importancia dentro del ciclo del nitrógeno radica en que esta bacteria produce el primer paso en la transformación del amoniaco en nitratos, proceso llamado nitrificación. El amoniaco del suelo procedente de los restos de seres vivos y de la fijación del N2 atmosférico que realizan algunas bacterias es transformado por Nitrosomonas en nitritos, que en una reacción posterior, llamada nitratación, se transformarán en nitratos por acción de bacterias del género Nitrobacter. Los nitratos son la forma en que las plantas pueden absorber por sus raíces el nitrógeno, pudiendo incorporarlo a sus proteínas, y de ahí, pasar al resto de la biocenosis del ecosistema.
71.- Define los siguientes términos: Organismo autótrofo. Organismo fotosintético. Organismo quimiosintético. Fotosíntesis.
Los organismos autótrofos son aquellos capaces de producir materia orgánica a partir de materia inorgánica. Dentro de ellos se encuentran los seres fotosintéticos y los quimiosintéticos. Organismos fotosintéticos. Son los seres autótrofos que utilizan la energía de la luz para construir sus moléculas orgánicas. Organismos quimiosintéticos. Son aquellos seres vivos que transforman materia inorgánica en materia orgánica, utilizando la energía liberada en reacciones químicas exergónicas. Fotosíntesis. Es un proceso de nutrición autótrofa. Consiste en sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía de la luz y liberando oxígeno a la atmósfera. La fotosíntesis tiene lugar en dos fases: La fase luminosa se produce solo en presencia de luz y se realiza en la membrana de los tilacoides, en los cloroplastos. Durante esta fase los pigmentos fotosintéticos captan la energía de la luz, y la transforman en energía química: en forma de poder reductor (NADPH) y energía libre (ATP). En esta fase se libera oxígeno a la atmósfera procedente de la rotura de moléculas de agua (fotólisis del agua). La fase oscura es una ruta metabólica cíclica, llamada ciclo de Calvin. Se realiza en el estroma del cloroplasto y es independiente de la luz. Consiste en la reducción de moléculas de CO2 para obtener moléculas orgánicas, utilizando la energía producida en la fase lumínica (NADPH y ATP).
72.- Explica las características de las moléculas implicadas en la captación de la luz durante la fotosíntesis.
Las principales moléculas implicadas en la captación de la luz son los pigmentos fotosintéticos. Los más importantes son: Clorofilas. Son moléculas porfirínicas. Poseen un núcleo tetrapirrólico, con un átomo de magnesio en el centro. En el anillo IV del núcleo tetrapirrólico, el grupo ácido está esterificado con un alcohol de 20 átomos de carbono, el fitol. Son moléculas anfipáticas, correspondiendo el polo hidrófobo al fitol y el polo hidrófilo al núcleo tetrapirrólico. En los vegetales superiores aparecen dos tipos de clorofilas, la clorofila a y la clorofila b, que se diferencian en el radical unido en el anillo II del núcleo de porfirina. La clorofila a presenta un grupo metilo y la clorofila b un formilo. Carotenoides. Son pigmentos liposolubles que pertenecen al grupo de los terpenos o isoprenoides. Son moléculas formadas por la unión de unidades de isopreno (2-metil-1,3-butadieno). Son de color amarillo y anaranjado, y entre ellos destacan los carotenos y sus derivados oxigenados, las xantofilas. Las clorofilas y los carotenoides absorben la energía de la luz debido a que poseen dobles enlaces conjugados. Cada pigmento absorbe luz a una determinada longitud de onda. Los pigmentos aparecen en la membrana del tilacoide agrupados en unas estructuras llamadas fotosistemas (PS), que se intercalan con las moléculas de la cadena fotosintética. Hay dos fotosistemas: el PS I, con un máximo de absorción de 700 nm, y el PS II, con un máximo de 680 nm.
73.- Indica las reacciones del ciclo de Calvin en las que se utilizan el NADPH y el ATP sintetizados durante la fase lumínica.
Las moléculas de NADPH y de ATP que se utilizan en al ciclo de Calvin proceden de la fase lumínica de la fotosíntesis. Estas moléculas son utilizadas en la fase de reducción, que se lleva a cabo en dos etapas: Primero se produce la fosforilación del 3 PG a 1,3 difosfoglicerato, por acción del ATP. Posteriormente, el 1,3 difosfoglicerato es reducido por el NADPH a gliceraldehído-3-P, que se encuentra en equilibrio con la DHAP. Esta reacción está catalizada por la enzima G-3-P deshidrogenasa. Además, en la fase de regeneración se utilizan moléculas de ATP para fosforilar la ribulosa 5 fosfato a ribulosa 1,5 difosfato, cerrándose el ciclo.
74.- Explica cómo influyen los siguientes factores en el rendimiento de la fotosíntesis: a) Concentración de CO2 b) Concentración de O2. c) Temperatura.
a) Concentración de CO2. La concentración de dióxido de carbono es un factor limitante de la fotosíntesis. Puesto que es un sustrato esencial, su carencia frena la fotosíntesis. A bajas concentraciones la actividad es también baja. b) Concentración de O2. El oxígeno es un producto de la fotosíntesis y actúa como inhibidor de la ruta. Pero su acción más importante se debe a su efecto activador de la fotorrespiración. Así, cuando la relación CO2/O2 es baja, el oxígeno actúa como inhibidor de la rubisco, lo que supone una importante pérdida de rendimiento de la fotosíntesis. c) Temperatura. La temperatura no influye de forma importante en la fotosíntesis. Sin embargo, las temperaturas elevadas desvían la actividad de la rubisco hacia la fotorrespiración. Las plantas tropicales y de climas cálidos se han adaptado a este fenómeno a través de la ruta C4.
75.- Define quimiosíntesis y representa el proceso en un esquema.
La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas. La quimiosíntesis se desarrolla en dos fases, que pueden esquematizarse del siguiente modo:
76.- Explica la importancia de las bacterias nitrificantes en los ciclos biogeoquímicos.
La importancia de las bacterias nitrificantes en los ciclos biogeoquímicos radica en su participación dentro del ciclo del nitrógeno. Este grupo de bacterias produce la transformación del amoniaco en nitratos, proceso llamado nitrificación. El amoniaco del suelo procedente de los restos de seres vivos y de la fijación del N2 atmosférico que realizan algunas bacterias, es transformado en nitritos por las bacterias del género Nitrosomonas, en una reacción llamada nitrosación. En una reacción posterior, llamada nitratación, se transformarán en nitratos por acción de bacterias del género Nitrobacter. Los nitratos son la forma en que las plantas pueden absorber por sus raíces el nitrógeno, pudiendo incorporarlo a sus proteínas, y de ahí, pasar al resto de la biocenosis del ecosistema.
77.- Escribe la ecuación general de la fotosíntesis y analiza las diferencias con la respiración celular.
La fotosíntesis se puede resumir en la siguiente ecuación general: H2O + CO2 (CH2O) + O2 . (CH2O) representa un compuesto orgánico, por ejemplo, la sexta parte de una molécula de glucosa. De la comparación de la ecuación global de la fotosíntesis con la respiración celular puede deducirse que son procesos inversos. La respiración celular es un proceso catabólico en el que se obtiene energía a partir de la oxidación de compuestos orgánicos. Ocurre en presencia de O2 (que actúa como último aceptor de electrones), produciéndose H2O y CO2. (CH2O) + O2 H2O + CO2 En la fotosíntesis se obtiene materia orgánica (CH2O) por la reducción de moléculas de CO2. Este proceso requiere un dador de hidrógenos (electrones) que, generalmente, es el H2O. La rotura de la molécula de agua provoca la liberación de O2 a la atmósfera.
78.- Explica cómo se produce el transporte de electrones desde el H2O hasta el NADP durante la fase lumínica de la fotosíntesis, e indica la ecuación general del proceso.
El transporte de electrones, desde el agua hasta el NADP, se realiza a través de la cadena fotosintética localizada en la membrana del tilacoide. Esta cadena está formada por un conjunto de moléculas transportadoras de electrones, entre las que se encuentran intercalados los fotosistemas I y II. El transporte no es espontáneo. La transferencia de electrones únicamente puede realizarse desde el par que presenta un potencial redox más negativo, hacia el que lo presenta más positivo. Por tanto, debe aplicarse energía que, en este caso, es la energía de la luz captada por los fotosistemas. El transporte de electrones desde el agua hasta el NADP se puede dividir en tres segmentos, que se representan mediante el llamado esquema en Z. 1er segmento: reducción del NADP. El proceso se inicia cuando un fotón incide sobre el fotosistema I (PS I) y produce la excitación de una de sus moléculas. La energía del fotón es transmitida hasta la clorofila a del centro de reacción, que cede un electrón a un aceptor que, a su vez, lo cede a la ferredoxina. Como el potencial de la ferredoxina es muy alto, esta cede espontáneamente el electrón al NADP, que se reduce a NADPH. 2º segmento: recuperación del electrón cedido por el PS I. Interviene el PS II que presenta un máximo de absorción a 680 nm. La iluminación de este fotosistema provoca su excitación y la emisión de electrones, que viajan por una cadena de transportadores (plastoquinona, complejo citocromo bf y plastocianina), y los terminan por ceder al PS I, rellenando el hueco que se había producido. Pero es ahora el PS II el que presenta el hueco electrónico. 3er segmento: recuperación del electrón perdido por el PSII. Fotólisis del agua. La recuperación de los electrones cedidos por el PSII se produce gracias a la rotura de una molécula de agua (fotólisis del H2O). Como consecuencia de esta rotura se produce la cesión de electrones al PS II, la liberación de H+ al espacio intratilacoide (lumen) y de O2 a la atmósfera.
79.- ¿Cómo se produce la fijación del CO2?, ¿en qué lugar del cloroplasto se produce? ¿Qué enzima cataliza el proceso?
La fijación del CO2 consiste en su incorporación a una molécula orgánica. Se produce gracias a una reacción exergónica, que consiste en la unión del CO2 a una pentosa, la ribulosa 1,5 difostato, formándose un compuesto de 6 átomos de carbono muy inestable. Este compuesto se escinde en 2 moléculas de 3- fosfoglicerato. La reacción está catalizada por la enzima ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa, que es la enzima más abundante de la biosfera, y se localiza en la superficie externa de la membrana del tilacoide. La fijación del CO2, igual que el resto de la fase oscura de la fotosíntesis, se realiza en el estroma del cloroplasto.
80.- ¿Qué factores favorecen la fotorrespiración?
La fotorrespiración se ve favorecida por la luz, la concentración de O2 y la temperatura. Estos factores desvían la actividad del enzima ribulosa 1,5 difosfato hacia la oxidación de la ribulosa y, en consecuencia, disminuyen la eficacia de la fotosíntesis, limitando la producción de biomasa.
81.- La quimiosíntesis: a) Explica el concepto de quimosíntesis. b) Pon un ejemplo de bacteria quimiosintética y describe la reacción mediante la cual obtiene la energía.
a) La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas.
70.- ¿Qué función realizan los organismos quimiosintéticos en la naturaleza? Señala algún ejemplo.
Los organismos quimiosintéticos desarrollan una función fundamental en la naturaleza, puesto que participan como elementos clave de los ciclos biogeoquímicos. Un ejemplo del papel de una bacteria quimiosintética en un ciclo biogeoquímico es la Nitrosomonas, que participa en el ciclo del nitrógeno, transformando el amoniaco en nitritos en una reacción llamada nitrosación. La importancia dentro del ciclo del nitrógeno radica en que esta bacteria produce el primer paso en la transformación del amoniaco en nitratos, proceso llamado nitrificación. El amoniaco del suelo procedente de los restos de seres vivos y de la fijación del N2 atmosférico que realizan algunas bacterias es transformado por Nitrosomonas en nitritos, que en una reacción posterior, llamada nitratación, se transformarán en nitratos por acción de bacterias del género Nitrobacter. Los nitratos son la forma en que las plantas pueden absorber por sus raíces el nitrógeno, pudiendo incorporarlo a sus proteínas, y de ahí, pasar al resto de la biocenosis del ecosistema.
71.- Define los siguientes términos: Organismo autótrofo. Organismo fotosintético. Organismo quimiosintético. Fotosíntesis.
Los organismos autótrofos son aquellos capaces de producir materia orgánica a partir de materia inorgánica. Dentro de ellos se encuentran los seres fotosintéticos y los quimiosintéticos. Organismos fotosintéticos. Son los seres autótrofos que utilizan la energía de la luz para construir sus moléculas orgánicas. Organismos quimiosintéticos. Son aquellos seres vivos que transforman materia inorgánica en materia orgánica, utilizando la energía liberada en reacciones químicas exergónicas. Fotosíntesis. Es un proceso de nutrición autótrofa. Consiste en sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía de la luz y liberando oxígeno a la atmósfera. La fotosíntesis tiene lugar en dos fases: La fase luminosa se produce solo en presencia de luz y se realiza en la membrana de los tilacoides, en los cloroplastos. Durante esta fase los pigmentos fotosintéticos captan la energía de la luz, y la transforman en energía química: en forma de poder reductor (NADPH) y energía libre (ATP). En esta fase se libera oxígeno a la atmósfera procedente de la rotura de moléculas de agua (fotólisis del agua). La fase oscura es una ruta metabólica cíclica, llamada ciclo de Calvin. Se realiza en el estroma del cloroplasto y es independiente de la luz. Consiste en la reducción de moléculas de CO2 para obtener moléculas orgánicas, utilizando la energía producida en la fase lumínica (NADPH y ATP).
72.- Explica las características de las moléculas implicadas en la captación de la luz durante la fotosíntesis.
Las principales moléculas implicadas en la captación de la luz son los pigmentos fotosintéticos. Los más importantes son: Clorofilas. Son moléculas porfirínicas. Poseen un núcleo tetrapirrólico, con un átomo de magnesio en el centro. En el anillo IV del núcleo tetrapirrólico, el grupo ácido está esterificado con un alcohol de 20 átomos de carbono, el fitol. Son moléculas anfipáticas, correspondiendo el polo hidrófobo al fitol y el polo hidrófilo al núcleo tetrapirrólico. En los vegetales superiores aparecen dos tipos de clorofilas, la clorofila a y la clorofila b, que se diferencian en el radical unido en el anillo II del núcleo de porfirina. La clorofila a presenta un grupo metilo y la clorofila b un formilo. Carotenoides. Son pigmentos liposolubles que pertenecen al grupo de los terpenos o isoprenoides. Son moléculas formadas por la unión de unidades de isopreno (2-metil-1,3-butadieno). Son de color amarillo y anaranjado, y entre ellos destacan los carotenos y sus derivados oxigenados, las xantofilas. Las clorofilas y los carotenoides absorben la energía de la luz debido a que poseen dobles enlaces conjugados. Cada pigmento absorbe luz a una determinada longitud de onda. Los pigmentos aparecen en la membrana del tilacoide agrupados en unas estructuras llamadas fotosistemas (PS), que se intercalan con las moléculas de la cadena fotosintética. Hay dos fotosistemas: el PS I, con un máximo de absorción de 700 nm, y el PS II, con un máximo de 680 nm.
73.- Indica las reacciones del ciclo de Calvin en las que se utilizan el NADPH y el ATP sintetizados durante la fase lumínica.
Las moléculas de NADPH y de ATP que se utilizan en al ciclo de Calvin proceden de la fase lumínica de la fotosíntesis. Estas moléculas son utilizadas en la fase de reducción, que se lleva a cabo en dos etapas: Primero se produce la fosforilación del 3 PG a 1,3 difosfoglicerato, por acción del ATP. Posteriormente, el 1,3 difosfoglicerato es reducido por el NADPH a gliceraldehído-3-P, que se encuentra en equilibrio con la DHAP. Esta reacción está catalizada por la enzima G-3-P deshidrogenasa. Además, en la fase de regeneración se utilizan moléculas de ATP para fosforilar la ribulosa 5 fosfato a ribulosa 1,5 difosfato, cerrándose el ciclo.
74.- Explica cómo influyen los siguientes factores en el rendimiento de la fotosíntesis: a) Concentración de CO2 b) Concentración de O2. c) Temperatura.
a) Concentración de CO2. La concentración de dióxido de carbono es un factor limitante de la fotosíntesis. Puesto que es un sustrato esencial, su carencia frena la fotosíntesis. A bajas concentraciones la actividad es también baja. b) Concentración de O2. El oxígeno es un producto de la fotosíntesis y actúa como inhibidor de la ruta. Pero su acción más importante se debe a su efecto activador de la fotorrespiración. Así, cuando la relación CO2/O2 es baja, el oxígeno actúa como inhibidor de la rubisco, lo que supone una importante pérdida de rendimiento de la fotosíntesis. c) Temperatura. La temperatura no influye de forma importante en la fotosíntesis. Sin embargo, las temperaturas elevadas desvían la actividad de la rubisco hacia la fotorrespiración. Las plantas tropicales y de climas cálidos se han adaptado a este fenómeno a través de la ruta C4.
75.- Define quimiosíntesis y representa el proceso en un esquema.
La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas. La quimiosíntesis se desarrolla en dos fases, que pueden esquematizarse del siguiente modo:
76.- Explica la importancia de las bacterias nitrificantes en los ciclos biogeoquímicos.
La importancia de las bacterias nitrificantes en los ciclos biogeoquímicos radica en su participación dentro del ciclo del nitrógeno. Este grupo de bacterias produce la transformación del amoniaco en nitratos, proceso llamado nitrificación. El amoniaco del suelo procedente de los restos de seres vivos y de la fijación del N2 atmosférico que realizan algunas bacterias, es transformado en nitritos por las bacterias del género Nitrosomonas, en una reacción llamada nitrosación. En una reacción posterior, llamada nitratación, se transformarán en nitratos por acción de bacterias del género Nitrobacter. Los nitratos son la forma en que las plantas pueden absorber por sus raíces el nitrógeno, pudiendo incorporarlo a sus proteínas, y de ahí, pasar al resto de la biocenosis del ecosistema.
77.- Escribe la ecuación general de la fotosíntesis y analiza las diferencias con la respiración celular.
La fotosíntesis se puede resumir en la siguiente ecuación general: H2O + CO2 (CH2O) + O2 . (CH2O) representa un compuesto orgánico, por ejemplo, la sexta parte de una molécula de glucosa. De la comparación de la ecuación global de la fotosíntesis con la respiración celular puede deducirse que son procesos inversos. La respiración celular es un proceso catabólico en el que se obtiene energía a partir de la oxidación de compuestos orgánicos. Ocurre en presencia de O2 (que actúa como último aceptor de electrones), produciéndose H2O y CO2. (CH2O) + O2 H2O + CO2 En la fotosíntesis se obtiene materia orgánica (CH2O) por la reducción de moléculas de CO2. Este proceso requiere un dador de hidrógenos (electrones) que, generalmente, es el H2O. La rotura de la molécula de agua provoca la liberación de O2 a la atmósfera.
78.- Explica cómo se produce el transporte de electrones desde el H2O hasta el NADP durante la fase lumínica de la fotosíntesis, e indica la ecuación general del proceso.
El transporte de electrones, desde el agua hasta el NADP, se realiza a través de la cadena fotosintética localizada en la membrana del tilacoide. Esta cadena está formada por un conjunto de moléculas transportadoras de electrones, entre las que se encuentran intercalados los fotosistemas I y II. El transporte no es espontáneo. La transferencia de electrones únicamente puede realizarse desde el par que presenta un potencial redox más negativo, hacia el que lo presenta más positivo. Por tanto, debe aplicarse energía que, en este caso, es la energía de la luz captada por los fotosistemas. El transporte de electrones desde el agua hasta el NADP se puede dividir en tres segmentos, que se representan mediante el llamado esquema en Z. 1er segmento: reducción del NADP. El proceso se inicia cuando un fotón incide sobre el fotosistema I (PS I) y produce la excitación de una de sus moléculas. La energía del fotón es transmitida hasta la clorofila a del centro de reacción, que cede un electrón a un aceptor que, a su vez, lo cede a la ferredoxina. Como el potencial de la ferredoxina es muy alto, esta cede espontáneamente el electrón al NADP, que se reduce a NADPH. 2º segmento: recuperación del electrón cedido por el PS I. Interviene el PS II que presenta un máximo de absorción a 680 nm. La iluminación de este fotosistema provoca su excitación y la emisión de electrones, que viajan por una cadena de transportadores (plastoquinona, complejo citocromo bf y plastocianina), y los terminan por ceder al PS I, rellenando el hueco que se había producido. Pero es ahora el PS II el que presenta el hueco electrónico. 3er segmento: recuperación del electrón perdido por el PSII. Fotólisis del agua. La recuperación de los electrones cedidos por el PSII se produce gracias a la rotura de una molécula de agua (fotólisis del H2O). Como consecuencia de esta rotura se produce la cesión de electrones al PS II, la liberación de H+ al espacio intratilacoide (lumen) y de O2 a la atmósfera.
79.- ¿Cómo se produce la fijación del CO2?, ¿en qué lugar del cloroplasto se produce? ¿Qué enzima cataliza el proceso?
La fijación del CO2 consiste en su incorporación a una molécula orgánica. Se produce gracias a una reacción exergónica, que consiste en la unión del CO2 a una pentosa, la ribulosa 1,5 difostato, formándose un compuesto de 6 átomos de carbono muy inestable. Este compuesto se escinde en 2 moléculas de 3- fosfoglicerato. La reacción está catalizada por la enzima ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa, que es la enzima más abundante de la biosfera, y se localiza en la superficie externa de la membrana del tilacoide. La fijación del CO2, igual que el resto de la fase oscura de la fotosíntesis, se realiza en el estroma del cloroplasto.
80.- ¿Qué factores favorecen la fotorrespiración?
La fotorrespiración se ve favorecida por la luz, la concentración de O2 y la temperatura. Estos factores desvían la actividad del enzima ribulosa 1,5 difosfato hacia la oxidación de la ribulosa y, en consecuencia, disminuyen la eficacia de la fotosíntesis, limitando la producción de biomasa.
81.- La quimiosíntesis: a) Explica el concepto de quimosíntesis. b) Pon un ejemplo de bacteria quimiosintética y describe la reacción mediante la cual obtiene la energía.
a) La quimiosíntesis es un tipo de nutrición autótrofa. Consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica, utilizando como fuente de energía la liberada en reacciones químicas redox exergónicas.
b) Un ejemplo de organismos quimiosintéticos son las bacterias nitrificantes, que utilizan como sustrato compuestos del nitrógeno. Entre ellas se encuentran dos géneros importantes:
82.- Justifica por qué el metabolismo quimiosintético se considera una forma metabólica evolucionada.
Teniendo en cuenta que los primeros seres vivos fueron heterótrofos, podemos pensar que la quimiosíntesis surgió como una adaptación posterior de algunas bacterias a medios inorgánicos específicos. La quimiosíntesis se considera una forma metabólica evolucionada por dos razones: Constituye una forma muy eficaz de independencia del resto de los seres vivos, al depender de compuestos inorgánicos que oxidan en una reacción específica. Son organismos independientes de la luz. Presentan una maquinaria bioquímica tan compleja como la de otras bacterias.
82.- Justifica por qué el metabolismo quimiosintético se considera una forma metabólica evolucionada.
Teniendo en cuenta que los primeros seres vivos fueron heterótrofos, podemos pensar que la quimiosíntesis surgió como una adaptación posterior de algunas bacterias a medios inorgánicos específicos. La quimiosíntesis se considera una forma metabólica evolucionada por dos razones: Constituye una forma muy eficaz de independencia del resto de los seres vivos, al depender de compuestos inorgánicos que oxidan en una reacción específica. Son organismos independientes de la luz. Presentan una maquinaria bioquímica tan compleja como la de otras bacterias.
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