tema 11. anabolismo

XIXI Biología. 2º Bachil lerato. IES SANTA CLARA.

Belén Ruiz Departamento Biología- Geología.

https://biologiageologiaiessantaclarabelenruiz.wordpress.com/2o-bachillerato/2o-biologiaI IES Santa Clara

TEMA 11. METABOLISMO CELULAR: ANABOLISMO II

LA FOTOSÍNTESIS INTRODUCCIÓN

PROCESO GENERAL : 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6

O2 + 6 H2O

ETAPAS:

FASE LUMINOSA ⇒ síntesis de ATP y NADPH

FASE OSCURA ⇒ Fijación de CO2 y síntesis orgánica:

Consumo de los productos de la fase lumínica (ATP y NADPH)

PIGMENTOS: Clorofilas (verdes)

– a y b (vegetales y cianobacterias) – c y d (algas) –Bacterioclorofila (bacterias fotosintéticas),

Carotenoides (vegetales, algas y cianobacterias)

–Carotenos (marrones y anaranjados)–Xantofilas (amarillos)

Ficobilinas (algas y cianobacterias)

– Ficocianinas (azules)– Ficoeritrinas ( rojos)


CLOROFILASCLOROFILAS

CAROTENOIDESCAROTENOIDES

Xantofilas

Carotenos

FicobilinasFicobilinas

Ficoeritrina

Ficocianina

CromatografíaCromatografía

PIGMENTOS: ESPECTRO ÚTIL (visible 400- 700 nm)

UNIDADES FUNCIONALES: LOS FOTOSISTEMAS:

– CCL (c.antena) + Centro de reacción (Clor. a, dador y aceptor)– Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)

1. CCL: Centro colector de luz. Diferentes pigmentos: clorofilas, carotenos,…

2. Centro de reacción:3. Dímero de clorofila A4. Dador de electrones5. Aceptor de electrones

6. Membrana de un tilacoide

UNIDADES FUNCIONALES: LOS FOTOSISTEMAS: (PSI y PSII)

– Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)

FASE LUMINOSA ⇒ síntesis de ATP y NADPH PIGMENTOS: clorofilas a y b (vegetales y

cianobacterias) c y d (algas) bacterioclorofila (bacterias fotosintéticas), carotenoides y ficobilinas (algas)

ESPECTRO ÚTIL (visible 400- 700 nm) FUNDAMENTO: resonancia, excitación electrónica y

transporte redox de e-

UNIDADES FUNCIONALES: LOS FOTOSISTEMAS:

CCL (c.antena) + Centro de reacción (Clor. a, dador y aceptor) Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)

ATPasa TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS


– FUNDAMENTOS: Fluorescencia: No se da en la fotosíntesis

El electrón excitado vuelve al orbital original y pierde la energía absorbida en forma de luz y calor

FUNDAMENTOS: Resonancia

La energía pasa por resonancia de unos pigmentos a otros hasta el centro de reacción

FUNDAMENTOS: Excitación electrónica

UNIDADES FUNCIONALES: ATPasa TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS

Estroma

Espacio intratilacoidal

FUNDAMENTOS: • Transporte de e- (cadena redox)

Transporte electrónico dependiente de la luz

• La energía de los fotones activa o impulsa electrones de la molécula de clorofila del centro de reacción de niveles energéticos bajos a niveles muy altos. Cuando los electrones adquieren un nivel energético alto tienden a saltar de la clorofila a moléculas aceptoras.

• Fotosistema es el conjunto de la clorofila asociada a las moléculas aceptoras de los electrones que ella cede. En los fotosistemas es donde ocurren los procesos químicos dependientes de la luz.

• Hay dos fotosistemas: I o P700 y II o P680 según la longitud de onda de la luz a que son sensibles.

• A su vez el fotosistema II recibe electrones del agua que es el donador electrónico, en un proceso denominado fotólisis del agua, que libera oxígeno molecular.

• Los electrones cedidos fluyen por unas cadenas transportadoras de electrones hasta un aceptor electrónico final y desde aquí serán transportados hasta la fase oscura o Ciclo de Calvin.

FLUJO “NO” CÍCLICO de e-

(Fotofosforilación acíclica)

Esquema en Z: Genera ATP y NADPH Fotolísis del H2O ⇒ O2 atmosférico

FLUJO “NO” CÍCLICO de e-

(Fotofosforilación acíclica)

FLUJO CÍCLICO de e-

(Fotofosforilación cíclica)

Esquema en D: Genera solamente ATP:

Existe mayor requerimiento

Anoxigénica

Síntesis de ATP o fotofosforilación

La energía que van perdiendo los electrones al

descender o fluir por la cadena transportadora sirve

para bombear protones (H+) desde el estroma hacia

el espacio interior del tilacoide; así se forma un

gradiente electroquímico entre ambos lados de la

membrana tilacoidal. El paso de H+ a través de las

ATPasas situadas en la membrana produce la

fosforilación del ADP y su transformación en ATP.

La Hipótesis quimiosmótica de Mitchell

FASE OSCURA ⇒ Fijación de CO2 y síntesis orgánica

– Consumo de los productos de la fase luminica (ATP y NADPH)

FASES: – 1.- Fijación o

Carboxilación– 2.- Reducción:

Ácido a aldehído

– 3.- Regeneración: Compleja vía

de las pentosas que regenera la Ribulosa 1,5 diP

F. Fijación

F. Regeneración

F. Reducción

1. Fijación del carbono: se incorpora el átomo de carbono procedente

del CO2 en la pentosa ribulosa-1,5-difosfato formándose 2 moléculas

de 3-fosfoglicerato, estando la reacción catalizada por la enzima

ribulosa-1,5-difosfato-carboxilasa o rubisco.

2. Reducción del átomo de carbono procedente del CO2: en dos

reacciones consecutivas fosforilación primero y reducción después.

Estas reacciones requieren ATP y NADPH respectivamente. 3-fosfoglicerato 1,3-difosfdoglicerato gliceraldehído-3-fosfato

3. Regeneración de la ribulosa-1,5-difosfato: para que el ciclo pueda

seguir funcionando y continúe la fijación del CO2 es preciso regenerar

la ribulosa-1,5-difosfato, lo que se consigue tras una serie de

reacciones que reorganizan la molécula catalizadas por la

fosforribuloquinasa.

Estequiometría del ciclo de Calvin

En cada paso de vuelta del Ciclo de Calvin se fija 1 átomo de carbono.

Para incorporar 6 moléculas de CO2 o lo que es lo mismo una molécula

de hexosa necesita cubrir 6 ciclos completos. El balance será el

siguiente:

- 6 moléculas de ribulosa-1,5-difosfato, que generarán 12

moléculas de 3-fosfoglicerato.

- 12 moléculas de NADPH

- 12 + 6 moléculas de ATP

Por tanto para obtener 1 molécula de hexosa a partir de CO2 los

organismos fotosintéticos consumen 12 moléculas de NADPH y 18

moléculas de ATP.

Proceso general, fase luminosa:

12 H2O + 18 ADP + 18Pi + 12 NADP + → 18 ATP + 12 NADPH + 12 H + + 6O2

Proceso general, fase oscura: 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH +12 H+ + 6 H2O → HEXOSA + 12 H2O +18 ADP + 18Pi +12 NADP+

Sumemos ambos procesos:

Proceso global:6 CO2 + 12 H2O → HEXOSA (C6H12O6) + 6O2 + 6 H2O

Proceso global simplificado:6 CO2 + 6 H2O → HEXOSA (C6H12O6) + 6O2

LA FOTOSÍNTESIS

ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS

1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica (Ej.actual: sulfobacterias fotosíntéticas verdes)

2º FOTOSISTEMA II ⇒ Fotosintesis oxigénica (Ej. cianobacterias y plantas superiores): – Implicaciones:

• Atmósfera oxidante (O2) ⇒ aparición y expansión de los aerobios

• Capa de ozono: O2 + O2 O3 + ½ O2

⇒ protección (aspectos evolutivos)• Aparición de los PRODUCTORES (autótrofos), base

de las cadenas y redes tróficas (aspectos ecológicos)


1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales (Con bacterioclorofila):

– Sulfobacterias fotosíntéticas verdes– Sulfobacterias fotosíntéticas púrpuras– Bacterias No sulfureas fotosíntéticas verdes – Bacterias No sulfureas fotosíntéticas púrpuras


1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales:

Bacterias No sulfureas fotosíntéticas púrpuras


1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales:

– Sulfobacterias fotosíntéticas verdes

LA QUIMIOSÍNTESIS

• Concepto: Energía a partir de la oxidación de compuestos INORGÁNICOS normalmente por fosforilación oxidativa y síntesis orgánica ⇒ Autótrofos no fotosintéticos.

• Fases: – 1ºSust. inorgánica A Sust. Inorgánica B

+ ATP (por fosforilación oxidativa)• Aceptor final: normalmente, O2 ⇒ tipo especial de

respiración aerobia• NADH por flujo inverso de e- con gasto de ATP

– 2º Biosíntesis orgánica (c. Calvín o c. Krebs inverso)

oxidación

1ºSust. inorgánica A Sust. Inorgánica B + ATP (por fosforilación oxidativa)

Aceptor final: normalmente, O2 ⇒ tipo especial de respiración aerobia

Ej. NO2− + 2H+

NO3−

½ O2Cadena de transporteElectrónico (redox)

LA QUIMIOSÍNTESIS

H2O

oxidación

ATP

1ºSust. inorgánica A Sust. Inorgánica B + ATPNADH por flujo inverso de e- con consumo de parte del ATP sintetizado.

NAD+

NADH + H+

NO3 -

Cadena de transporteElectrónico (redox)

LA QUIMIOSÍNTESIS

NO2-

oxidación

Consumo de ATP

LA QUIMIOSÍNTESIS

LA QUIMIOSÍNTESIS

Grupos de organismos quimiosintéticos: Organismos: Todos son bacterias Todos quimiolitotróficos ⇒

(QUIMIOAUTÓTROFOS) Transformadores ⇒ cierran los ciclos

biogeoquímicos

LA QUIMIOSÍNTESIS

Grupos de organismos quimiosintéticos:A) B. Nitrificantes:

ej. NH3 NO2 NO3−

Importantes en el ciclo del nitrógenoB) B. Del hierro:

Fe+2 Fe+3 ej. Ferrobacillus C) B. Incoloras del azufre:

H2S S H2SO4

D) B. del Hidrógeno y del Metano: H2 H2O

CH4 CO2 + H2O

Algunas c y d de las dorsales oceánicas: Productores ⇒ Ecosistemas independientes del sol

Nitrosomomas: Nitrobacter

LA QUIMIOSÍNTESIS

Grupos de organismos quimiosintéticos:• A) B. Nitrificantes:

– ej. NH3 NO2 −

NO3−

» Importantes en el ciclo del nitrógeno

Nitrosomomas Nitrobacter

NH4+ + 3/2 O2 NO2− + 2H+ + H2O

NO2− + ½ O2 NO3

−

NH4+ + NO2

- N2 + 2 H2O (X)

(X) En este caso el aceptor final no es el O2, sino el NO2 −

Nitrosomomas:

Nitrobacter:

Bacterias anammox:

Aceptor final de

electrones(diferente

al O2 )

LA QUIMIOSÍNTESIS

• Grupos de organismos quimiosintéticos:• A) B. Nitrificantes:

– ej. NH3 NO2 −

NO3−

» Importantes en el ciclo del nitrógeno

• Ej.

Nitrosomomas Nitrobacter

NO2− + ½ O2 NO3

−

LA QUIMIOSÍNTESIS

LA QUIMIOSÍNTESIS

B) B. Del hierro: – Fe+2 Fe+3 ej. Ferrobacillus

Fe2+ + 2H+ + ½ O2 Fe3+ + H2O

LA QUIMIOSÍNTESIS

Grupos de organismos quimiosintéticos:

C) B. Incoloras del azufre: H2S S H2SO4

H2S + ½ O2 S + H2O

S + 2O2 SO42-

LA QUIMIOSÍNTESIS

Grupos de organismos quimiosintéticos:• D) B. del Hidrógeno y del Metano:

– H2 H2O H2 + ½ O2 H2O ej. Pseudomonas

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O bact.

Metanógenas – CH4 CO2 + H2OCH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O bact.

Metanotrofas

» Algunas c y d de las dorsales oceánicas: Productores ⇒ Ecosistemas independientes

del sol

Aceptor final de

electrones(diferente

al O2 )

Comparación Fotosíntesis y Quimiosíntesis

OTROS PROCESOS ANABÓLICOS

Cetogénesis

Gluconeoneogénesis

Ruta catabólica

Phe

Tyr

Trp

Ser

Gly

Cys

Asp

Met

Lis

Ileu

piruvato

Acetil CoA

Ala

Val

Leu

Funarato

Ácidos grasos

Pro y Arg

Otras rutas anabólicas

ESQUEMA GENERAL DEL METABOLISMO

TEST DE REPASO

TEMA 8B

Comenta la importancia de la fotosíntesis en la Biosfera Consolidación de los Productores Aparición de l oxígeno:

o ⇒ veneno + diversificación de los aerobioso ⇒ Capa de Ozono: Protección y evolución de o. superiores terrestres.

Define en pocas palabras las analogías y diferencias entre fotosíntesis y quimiosíntesis . Analogías:

o C. de Calvin (Fase biosintética) Diferencias:

o Obtención de energía y poder reductor: (Fase oxidativa) Fotosíntesis:

E. luminosa: NADPH y (fotofosforilación) ⇒ ATP Quimiosíntesis:

Oxidación s. inorgánicas (fosforilación oxidativa) ⇒ ATP . Flujo inverso de e- ⇒ NADH

¿Qué papel juegan el ATP y el NADPH en la fotosíntesis? ¿En qué etapa de la misma se sintetizan y consumen respectivamente?

a) Energía y poder reductor para la biosíntesis orgánica b) F. Luminosa (producción) y F. oscura (consumo para biosíntesis)

Describe, a partir de una representación gráfica, el proceso de fotofosforilación acíclica . Indica como se reciclan los coenzimas obtenidos en dicho proceso .

Se recilan oxidándose en el ciclo de Calvin

¿A qué se debe el hecho de que las plantas superiores necesiten dos tipos de fotofosforilación , la cíclica y la acíclica? Ayúdate de una representación grafica.

La fotofosforilación acíclica o esquema en Z produce 1 ATP y un NADPH por ciclo, sin embargo los requerimientos de ATP y NADPH en el ciclo de Calvin son diferentes; se necesitan 12 NADPH y 18 ATP para la síntesis de una glucosa. El aporte extra de ATP lo proporciona la fotofosforilación cíclica o esquema en D, ya que solo genera ATP , no necesitando la foltolisis del agua por lo que es anoxigénica

F. Fijación

F. Regeneración

F. Reducción

Describe las etapas del ciclo de Calvin, indicando los procesos que nos permitan la síntesis de una molécula de glucosa. Indica que enzima permite el proceso inicial de fijación del CO2.Enzima Rubisco: (Ribulosa 1-5 difosfato-carboxilasa-oxigenasa)

Define anabolismo: cita un proceso anabólico que tenga lugar en una célula animal y otra vegetal .Parte del metabolismo que incluye el conjunto de procesos químicos de tipo reductor, divergente y endergónico que permiten a las células sintetizar moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más simples.Animal: Glucogenogénesis, GLUCONEOGÉNESIS, traducción …

Vegetal: Fotosíntesis, sint de almidón, … Concepto de quimiosíntesis y principales diferencias respecto a la fotosíntesis y fermentación.a)Procesos biosintericos (anabólicos) en los que los organismos implicados obtienen la energía y el poder reductor necesarios para síntesis orgánica, a partir de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas a partir de mecanismos basados en la fosforilación oxidativa.b)Quimiosíntesis: 1º Fase oxidativa

a) ATP x oxidación de s. inorgánica (fosforilación oxidativa) b) NADH: flujo inverso de e-

2º Síntesis orgánica (P. anabólico, reductora)Fotosíntesis: 1º F. luminosa:

a) ATP x fotofosforilaciónb) NADPH x fotolisis o flujo inverso (bacterias no cianoficeas)

2º síntesis orgánica (P. anabólico)Fermentación: (P: catabólico)

1º ATP x oxidación parcial de s. orgánica (fosforilación a n. de sustrato) 2º reciclado de coenzimas (NADH → NAD+ ) : fase reductora

Cita un proceso biológico que consuma ATP. Indica en qué lugar de la célula se sintetiza el ATP ¿cuál es el mecanismo de su síntesis? ¿de dónde proceden los electrones que permiten su síntesis? Razona la respuesta. C. de Calvin

Cloroplastos: Fotofosforilación: Electrones de:

fotolisis del H2O Los centros de reacción (P680 y P700)

Citosol : Fosf. a nivel de sustrado Electrones de la oxidación de moléculas orgánicas directamente (los ceden al coenzima NAD+

Mitocondrias : Fosforilación oxidativa y a nivel de sustrato (GTP). Electrones de la oxidación de moléculas orgánicas directamente o indirectamente (los ceden a los coenzimas NAD+ y FAD).

A partir de la ecuación general de la fotosíntesis, indica el destino teórico de los distintos átomos que forman parte de las reactivos iniciales.

6 CO2 + 12 H2O → HEXOSA (C6H12O6) + 6O2 + 6 H2O

El principio de la termodinámica que dice que la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma se aplica también a los seres vivos, pues estos son activos intercambiadores de materia y energía con el entorno. ¿En qué forma puede captar energía una célula y en qué la transforma mediante: a) la fotosíntesis y b) la respiración celular? ¿Para qué utiliza la célula esta energía así obtenida en ambos casos? Razona la respuesta. a)E. luminosa⇒ E. química (ATP(fotofosforilación), NADPH) para la biosintesis b)E. química (¿protónmotriz?) ⇒ E. química (oxidación de MO): ATP (Fosforilación oxidativa y a n. de S )+ E. calorífica

1. Biosíntesis2. Contracción (movimiento) o3. Mantenimiento de gradientes (membranas)

Aunque los aminoácidos de la dieta deberían ser utilizados por el organismo para la formación de proteínas no siempre ocurre así y en muchos casos pueden ser catabolizados. ¿Qué beneficio puede obtener el organismo de la oxidación de un aminoácido? ¿qué productos de desecho se generarían tras la degradación total de los aminoácidos en condiciones aeróbicas? Razona la respuesta: Beneficio: energía ante carencia de nutrientes energéticos por degradación total hasta CO2 y H2O o por síntesis de glucosa o ácidos grasos (aa glucogénicos y cetogénicos). Productos:NH3 (x desaminación), En ureotélicos el NH3 pasa a urea…CO2, H2O (x. degradación de cetoácidos).

Si el proceso fotosintético se resumiese en una reacción química ¿cuáles serían los productos de partida y cuales los obtenidos en el proceso? ¿Qué función desempeñan en este proceso los pigmentos fotosintéticos? Partiendo de la base de que un individuo que realiza la fotosíntesis se considera autótrofo, es decir puede sintetizar sus propias biomoléculas ¿en qué forma y de dónde obtendría los átomos de nitrógeno necesarios para sintetizar sus aminoácidos? Razona la respuesta y pon ejemplo.

6 CO2 + 12 H2O →1 glucosa + 6 O2 + 6 H2O.

Los pigmentos captan e. luminosa que transformada en e. química permite la síntesis orgánica:o CCL: Captación y transmisión de e por resonanciao Clorofilas del C.de R: excitación electrónica ⇒ clorofila muy reductora

Fuente de N :oLa mayoria de nitratosoAlgunos de NH4+ oN2 (ej leguminosas en simbiosis con Rhizobium)

¿Puede un organismo considerado autótrofo asimilar el anhídrido carbónico en ambientes apartados de la luz solar u otra fuente de luz? Razona la respuesta y en caso afirmativo pon un ejemplo de organismo que utilice esta estrategia. Si, quimiosintéticos (quimiolitotróficos), ej. Nitrosomonas, etc.Elabora un texto coherente (no más de diez líneas).en el que se relacionen los siguientes compuestos y estructuras: CO2, O2, NADPH, Glucosa, fotosíntesis, H2O, cloroplastos. Texto sobre fotosíntesis, con somera descripción de: etapas: F. luminosa: fotolisis de H2O y producción de O2, ATP, NADPH. F. oscura: consumo de ATP y NADPH, fijación de CO2 y síntesis de Glucosa. También localización celular de cada proceso (cloroplasto) y conclusión final con ecuación general: 6 CO2 + 12 H2O →1 glucosa + 6 O2 + 6 H2O.En el fenómeno biológico representado en la figura identifica la estructura A y la ruta metabólica B. Pon nombre a los integrantes y comenta el papel del ATP y NADPH en este proceso.Fenómeno: FotosíntesisA: Tilacoides (grana)⇒ fase luminosa ¿: entra H2O y sale O2

B: Ciclo de Calvin⇒ fase oscura ¿: entra CO2 y sale glucosa (C6H12O6)ATP: Se forma en fase luminosa y se consume en fase oscura para la síntesis orgánica (proporciona energía de enlace)NADPH: Se produce en la fase luminosa y se consume en la f. oscura, aporta H para la síntesis orgánica (fuente de H) que junto con el CO2 produce moléculas orgánicas como la glucosa.

Bibliografía y páginas web

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Biología. 2ºBachillerato. ALCAMÍ, José. BASTERO, Juan José. FERNÁNDEZ, Benjamín. GÓMEZ DE SALAZAR, José María. MÉNDEZ, Mª Jesús. SLÖCKER Javier. Editorial SM.

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