tema 5 transferencia de energía y metabolismo celular

8/18/2019 Tema 5 Transferencia de Energía y Metabolismo Celular

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La vida aquí, sobre la Tierra, depende del

fujo de energía procedente de lasreacciones termonucleares que tienenlugar en el corazón del Sol.

Sólo una pequeña racción de la energíasolar que alcanza a la Tierra setransorma, por medio de una serie deprocesos llevados a cabo por las c!lulasde las plantas " otros organismos

otosint!ticos, en la energía que impulsatodos los procesos vitales.

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Los sistemas vivos cambian unaorma de energía en otra,transormando la energía radiantedel Sol en la energía química "mec$nica utilizada por todo ser vivo.

%ste fujo de energía es la esencia dela vida

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Flujo de energía

Los sistemas vivos convierten la energía deuna orma en otra a medida que cumplenunciones esenciales de mantenimiento,

crecimiento " reproducción.

%n estas conversiones energ!ticas, comoen todas las dem$s, parte de la energía 'tilse pierde en el ambiente en cada paso.

(


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Las le"es de la termodin$micagobiernan las transormaciones de

energía.

La primera le" establece que la energíapuede convertirse de una orma a otra,pero no puede crearse ni destruirse

la segunda le" de la termodin$mica es

que todos los procesos naturalestienden a ocurrir en una dirección talque la entropía )la medida del *gradode desorden* o de *aleatoriedad*+ delniverso se incrementa -


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ara mantener la organización de la cualdepende la vida, los sistemas vivosdeben tener un suministro constante deenergía que les permita superar latendencia /acia el desorden creciente.

%l Sol es la uente original de estaenergía.

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n $tomo o mol!cula que pierde electronesse oida4 el que los gana se reduce.

%l total de las reacciones químicas queocurren en las c!lulas constitu"en elmetabolismo.

Las reacciones metabólicas ocurren enseries, llamadas vías, cada una de lascuales sirve a una unción determinada enla c!lula.

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6ada paso en una vía es controlado poruna enzima especí7ca.

Las reacciones escalonadas de las víasenzim$ticas les permiten a las c!lulasllevar a cabo sus actividades químicas

con una notable e7ciencia, en lo queconcierne a la energía " a losmateriales.

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Las enzimas uncionan comocatalizadores biológicos. 9sí,disminu"en la energía de activación eincrementan enormemente lavelocidad a la que se producen lasreacciones químicas.

Las reacciones catalizadas por enzimasest$n bajo un estricto control celular.

1:


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Los principales actores que infu"ensobre la velocidad de las reaccionesenzim$ticas son las concentraciones de

enzima " de sustrato " la disponibilidadde los coactores requeridos.

;uc/as enzimas son sintetizadas porlas c!lulas o activadas sólo cuando sonnecesarias

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%l 9T es el principal transportador deenergía en la ma"oría de las reaccionesque tienen lugar en los sistemas vivos.

Las c!lulas son capaces de llevar a caboprocesos " reacciones endergónicas)tales como reacciones biosint!ticas,

transporte activo o el movimiento demicrot'bulos+ acopl$ndolas a reaccioneseergónicas que suministran un ecesode energía.

1#


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%stas reacciones acopladasgeneralmente involucran acompuestos triosato como el 9T uotros.

Las amilias de enzimas denominadas

quinasas " osorilasas adicionan oremueven un grupo osato a otramol!cula respectivamente.

1&


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La transerencia de grupos osato 2oosorilación2 cumple un papelimportante en la regulación demuc/as reacciones químicas de lac!lula.

Todo el fujo de energía est$ regidapor las le"es de la termodin$mica

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La primera le" de la termodin$micaestablece que la energía puedeconvertirse de una orma a otra, perono puede crearse ni destruirse.

La energía puede almacenarse envarias ormas " luego transormarseen otras

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6uando los organismos oidancarbo/idratos, convierten la energíaalmacenada en los enlaces químicos en

otras ormas de energía.

%jemplo< Las aves " los mamíerosconvierten la energía química en la

energía t!rmica necesaria para mantenersu temperatura corporal, así como enenergía mec$nica, energía el!ctrica "otras ormas de energía química.

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La segunda le" establece que en el cursode las conversiones energ!ticas, elpotencial termodin$mico de un sistema

en el estado 7nal siempre ser$ menorque el potencial termodin$mico delmismo sistema en el estado inicial.

La dierencia entre los potencialestermodin$micos de los estados inicial "7nal se conoce como cambio en laenergía libre o de =ibbs. Se simboliza >=

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Las reacciones eergónicas )que liberan

energía+ tienen un >= negativo

Las reacciones endergónicas )querequieren de energía+ tienen un >=positivo.

Los actores que determinan el >=

inclu"en >?, el cambio en el contenidode calor, " >S, el cambio en la entropía,que es una medida del comportamientoaleatorio o desorden del sistema.

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%stos actores se relacionan seg'n lasiguiente órmula<

>= @ >? 2 T>S.

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Reacciones deoxido - reducción

Los electrones< dierentes cantidadesde energía potencial

Aistancia al n'cleo del $tomo " de laatracción ejercida por el n'cleo sobreellos.

%nergía

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Los electrones se desplazan de unnivel de energía a otro.

%n muc/as reacciones, los electrones

pasan de un $tomo o mol!cula a otro.

%stas reacciones, que son de gran

importancia en los sistemas vivos, seconocen como de oidación2reducción o redo.

#1


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Simultaneamente

##


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La razón de que la p!rdida deelectrones se conozca comooidación es que el oígeno, queatrae mu" uertemente a loselectrones, es el que por lo generalact'a como aceptor de electrones.

#&


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%n algunas reacciones de oidación2reducción, como la oidación del sodio" la reducción del cloro, se trans7ere

'nicamente un electrón de un $tomo aotro.

%n otras reacciones de oidación2reducción, como la oidación parcialdel metano )6?(+, electrones "protones van juntos.

#(


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#-


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%ntre mol!culas org$nicas es mu"com'n<

La oidación es la p!rdida de $tomos de/idrógeno " la reducción es la gananciade $tomos de /idrógeno

6uando un $tomo de oígeno gana dos$tomos de /idrógeno evidentemente elproducto es una mol!cula de agua.

#0


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%n los sistemas vivos, las reacciones quecapturan energía " las reacciones queliberan energía, son reacciones deoidación2reducción.

La oidación completa de un mol de glucosalibera 050 Bilocalorías de energía libre

La reducción del dióido de carbono paraormar un mol de glucosa almacena 050Bilocalorías de energía libre en los enlacesquímicos de la glucosa.

#3


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METABOLISMO

%n cualquier sistema vivo elintercambio de energía ocurren atrav!s de miles de reacciones

químicas dierentes, muc/as de lascuales se producen simult$neamente.

La suma de todas estas reacciones seconoce como metabolismo )del griegometabole, que signi7ca *cambio*+.

#5


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%stas reacciones se agrupan en unaserie ordenada de pasos, quecom'nmente se llama vía.

1# o m$s pasos secuenciales.

6ada vía sirve a una unción en lavida global de la c!lula o delorganismo.

&:


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6iertas vías tienen muc/os pasos encom'n, por ejemplo< La síntesis delos amino$cidos o de las distintasbases nitrogenadas.

9lgunas vías convergen4 por ejemplo<la vía por la cual se degradan las

grasas para producir energía conducea la vía por la cual se degrada laglucosa para producir energía.

&1


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La ma"or parte del metabolismo es

notablemente similar aun en losorganismos m$s diversos

Las dierencias en muc/as de las vías

metabólicas de los seres /umanos, losrobles, los /ongos " las medusas sonmu" leves.

9lgunas vías, por ejemplo la glucólisis "la respiración est$n en casi todos lossistemas vivos.


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%l total de las reacciones químicasinvolucradas en la síntesis se llamaanabolismo.

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La ruptura de mol!culas de ma"ortamaño< catabolismo

&(


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%l catabolismo cumple con dos

propósitos<

1.Liberar la energía que ser$ usada por elanabolismo " otros trabajos de la c!lula

#.Suministrar la materia prima que ser$usada en los procesos anabólicos.

La presencia de las enzimas esundamental

&-


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ENZIMAS

Las enzimas act'an como catalizadores4disminu"en la energía de activaciónincrementando enormemente la velocidad

na reacción no catalizada requiere m$senergía de activación que una catalizada,como una reacción enzim$tica.

&0


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Las enzimas son<

=randes mol!culas de proteínas globulares

legamiento asegura que grupos particularesde amino$cidos ormen un sitio activo.

6uando las enzimas pierden su estructuratridimensional característica, se dice que est$ndesnaturalizadas.

Las mol!culas reactivas, conocidas comosustrato, se ajustan con precisión a este sitioactivo.

&3


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La conormación de una enzima puedecambiar temporalmente en el curso de

una reacción, no se alterapermanentemente.

La velocidad de las reaccionesenzim$ticas, se ve infuida por latemperatura " por el p?

9ecta la atracción entre los amino$cidosde la mol!cula proteica " tambi!n entreel sitio activo " el sustrato.

&5


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;uc/as enzimas requieren de coactores,que pueden ser iones simples );g#C o6a#C+, o mol!culas org$nicas no proteicasconocidas como coenzimas.

;uc/as coenzimas, como el D9A,uncionan como transportadores deelectrones.

Aierentes coenzimas mantienen a loselectrones en niveles energ!ticosligeramente distintos. ;uc/as vitaminasson parte de coenzimas

&8


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AT

Todas las actividades biosint!ticas dela c!lula, muc/os de sus procesos detransporte " una diversidad de otrasactividades requieren de energía.

na gran proporción de esta energía

es suministrada por una solasustancia< el adenosín triosato o9T.

(:


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La glucosa " otros carbo/idratos sonormas de almacenamiento de energía "tambi!n ormas en las que se trans7ereenergía de c!lula a c!lula " de organismo aorganismo.

%l 9T es la energía que puede emplearseinmediatamente.

%n la mol!cula de 9T, los tres grupososato est$n unidos por dos enlacescovalentes que se rompen con acilidad,produciendo cada uno aproimadamente 3Bilocalorías de energía por mol.

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%n los sistemas biológicos, las reaccionesendergónicas, como las de biosíntesis, se

producen gracias a la energía liberada enlas reacciones eergónicas con las queest$n acopladas.

%n la ma"oría de las reaccionesacopladas, el 9T es el intermediario queconduce la energía de una reacción aotra.

La estructura interna de la mol!cula de9T la /ace inusualmente adecuada paraeste papel en los sistemas vivos.

(#


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!lucólisis " res#iración

La oidación de la glucosa es unauente principal de energía en lama"oría de las c!lulas.

6uando la glucosa se degrada en unaserie de pequeños pasos por medio deenzimas, una proporción signi7cativade la energía contenida en la mol!culavuelve a empaquetarse en los enlacesosato de las mol!culas de 9T.

(&


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%n condiciones anaeróbicas, el proceso deermentación transorma al $cido pir'vico

producido por la glucólisis o en etanol oen $cido l$ctico.

%s posible saber cómo " en qu! cantidad

la energía química, originalmentepresente en la mol!cula de glucosa, serecupera en orma de 9T en el curso dela degradación de la mol!cula de glucosa.

9sí, es posible calcular el rendimientoenerg!tico global de la oidación de laglucosa, que puede dar como resultadoun m$imo de &5 mol!culas de 9T.

(-


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La actividad de la glucólisis " larespiración est$n reguladas de acuerdocon las necesidades energ!ticas de la

c!lula.

Las grasas, los polisac$ridos " lasproteínas, pueden ser tambi!n

degradadas a compuestos que puedeningresar en las vías centrales )glucólisis" ciclo de Erebs+ en dierentes pasos.

(0


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La biosíntesis de compuestosorg$nicos< compuestos precursoresderivados de intermediarios en lasecuencia respiratoria< la energíaderivada de esos procesos.

9sí, otras vías catabólicas " anabólicasest$n íntimamente interrelacionadas.

(3

l d


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$n #anora%a general dela oxidación de la

glucosa Aado que en las reacciones de oido2reducción espont$neas

Los electrones van de niveles deenergía ma"ores a niveles de energíamenores

6uando una mol!cula se oida,/abitualmente libera energía cuando.

(5


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(8


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Los sistemas vivos son epertos en

conversiones energ!ticas.

Su organización les permite atraparesta energía libre, de modo que no sedisipe al azar, sino que pueda usarsepara /acer el trabajo de la c!lula.

9proimadamente el (:F de laenergía libre desprendida por laoidación de la glucosa se conserva enla conversión de 9A a 9T.

-:


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-1


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!lucolisis

La glucólisis, es un proceso en el cual unamol!cula de glucosa de 0 carbonos seescinde en dos mol!culas de & carbonos

de piruvato.

%ste proceso da como resultado unrendimiento neto de dos mol!culas de 9T

)a partir de 9A " osato inorg$nico+ " dosmol!culas de D9A? )a partir de D9AC+.

-#


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La glucólisis comienza con una

mol!cula de glucosa.

%n este proceso, primero se invierteenergía por transerencia de un grupoosato desde una mol!cula de 9T,una por cada paso, a la mol!cula deaz'car.

La mol!cula de 0 carbonos luego seescinde ", de allí en adelante, lasecuencia produce energía.

-&


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%n cierto momento se reduce unamol!cula de D9AC a D9A? " ?Calmacenandose parte de la

energía producida por la oidacióndel gliceralde/ído osato.

%n los pasos 7nales las mol!culasde 9A toman energía delsistema, osoril$ndose a 9T.

-(


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Glucosa + 2ATP + 4ADP + 4Pi + 2NAD+=>

2 Ácido pirúvico + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

Las dos mol!culas de $cido pir'vico contienentodavía una gran parte de la energía que seencontraba almacenada en la mol!cula de glucosaoriginal.

--


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Res#iración

Se desarrolla en dos etapas< el ciclo deErebs " el transporte terminal deelectrones.

%n el curso de la respiración, lasmol!culas de tres carbonos de $cido

pir'vico producido por la glucólisis sondegradadas a grupos acetilo de doscarbonos, que luego entran al ciclo deErebs.

-0


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%n una serie de reacciones en el ciclode Erebs, el grupo acetilo de doscarbonos es oidado completamente

a dióido de carbono.

%n el curso de la oidación de cada

grupo acetilo se reducen cuatroaceptores de electrones )tres D9AC "un G9A+ " se orma otra mol!cula de9T.

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%n el ciclo de Erebs se producen una

mol!cula de 9T, tres mol!culas deD9A? " una mol!cula de G9A?# querepresentan la producción de energíade este ciclo.

Se necesitan dos vueltas del ciclo paracompletar la oidación de una mol!culade glucosa. 9sí, el rendimientoenerg!tico total del ciclo de Erebs parauna mol!cula de glucosa es dosmol!culas de 9T, seis mol!culas deD9A? " dos mol!culas de G9A?.

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La etapa 7nal de la respiración es eltransporte terminal de electrones, queinvolucra a una cadena de transportadoresde electrones " enzimas embutidas en la

membrana interna de la mitocondria.

9 lo largo de esta serie de transportadoresde electrones, los electrones de alta energía

transportados por el D9A? de la glucólisis "por el D9A? " el G9A?# del ciclo de Erebsvan *cuesta abajo* /asta el oígeno.

0:


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&ías anaero'ias

%n ausencia de oígeno, el $cidopir'vico puede seguir una de variasvías llamadas anaeróbicas.

%l $cido pir'vico puede convertirseen etanol )alco/ol etílico+ o en uno

de varios $cidos org$nicosdierentes, de los cuales el $cidol$ctico es el m$s com'n.

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%l producto de reacción depende del tipode c!lula.

or ej. las levaduras, presentes en el/ollejo de las uvas, pueden crecer con osin oígeno.

6uando los jugos azucarados de las uvas "de otras rutas se etraen " se almacenanen condiciones anaeróbicas, las levadurastransorman el jugo de ruta en vino,convirtiendo la glucosa en etanol.

0#


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6uando el az'car se agota, las

levaduras dejan de uncionar4 en estemomento, la concentración de alco/oles entre 1#F " 13F dependiendo de lavariedad de uvas " de la estación en la

cual ueron cosec/adas.

%n el primer paso de la glucólisis sedesprende dióido de carbono.

%n el segundo, se oida el D9A? " sereduce el acetalde/ído.

0&


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La ma"or parte de la energía químicade la glucosa permanece en el alco/ol,que es el producto 7nal de la

secuencia.

Sin embargo, regenerando D9AC,

estos pasos permiten que la glucólisiscontin'e, con su pequeño, pero enalgunos casos vitalmente necesario,rendimiento de 9T.

0(


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0-


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%l $cido l$ctico se orma a partir del$cido pir'vico, por acción de unavariedad de microorganismos "

tambi!n por algunas c!lulasanimales cuando el H# es escaso oest$ ausente.

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%n el curso de esta reacción, el D9A? seoida " el $cido pir'vico se reduce.

Las mol!culas de D9AC producidas en esta

reacción se reciclan en la secuenciaglucolítica.

Sin este reciclado, la glucólisis no puede

seguir adelante. La acumulación de $cidol$ctico da como resultado dolor " atigamuscular.

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Rendi%ien(o energ)(ico


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Rendi%ien(o energ)(icoglo'al

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O(ras *ías ca(a'ólicas "


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O(ras *ías ca(a'ólicas "ana'ólicas

La ma"oría de los organismos no sealimentan directamente de glucosa.

%l ciclo de Erebs es un gran centro decomunicaciones para el metabolismo deenergía.

Htros alimentos son degradados "convertidos a mol!culas que pueden entraren esta vía central.

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3:


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'iosín(esis

Las vías de degradación de la glucosa, nosólo son centrales para el catabolismo,sino tambi!n para los procesos

biosint!ticos que constitu"en elanabolismo de la vida.

%stos procesos son las vías de síntesis delas distintas mol!culas " macromol!culasque constitu"en un organismo.

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Aado que muc/as de estas sustancias,como las proteínas " los lípidos,pueden degradarse " entrar en la vía

central.

%s posible el proceso inverso, o sea,

que los distintos intermediarios de laglucólisis " del ciclo de Erebs puedenservir como precursores para labiosíntesis.

3#


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Sin embargo, las vías biosint!ticas,aunque son semejantes a lascatabólicas, se dierencian de ellas.

?a" enzimas dierentes quecontrolan los pasos " /a" varios

pasos críticos del anabolismo quedi7eren de los procesos catabólicos

3&


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ara que ocurran las reacciones de lasvías catabólica " anabólica debe /aberun suministro constante de mol!culas

org$nicas que puedan ser degradadaspara producir energía " deben estarpresentes mol!culas que ser$n losladrillos de construcción.

Sin el suministro de estas mol!culas, lasvías metabólicas dejan de uncionar " lavida del organismo 7naliza

3(


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Las c!lulas /eterótroas dependen deuentes eternas, especí7camente dec!lulas autótroas, para obtener las

mol!culas org$nicas que son esencialespara la vida.

Las c!lulas autótroas, por el contrario,son capaces de sintetizar monosac$ridosa partir de mol!culas inorg$nicas simples" de una uente eterna de energía.

3-


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%stos monosac$ridos se utilizan nosólo para suministrar energía, sinotambi!n como sillares de

construcción para la variedad demol!culas org$nicas que sesintetizan en las vías anabólicas.

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Fo(osín(esis

La vida sobre la Tierra depende de laluz.

La energía lumínica es capturada porlos organismos otosint!ticos quienes la

usan para ormar carbo/idratos "oígeno libre a partir del dióido decarbono " del agua, en una seriecompleja de reacciones.

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%n la otosíntesis, la energía lumínica seconvierte en energía química " el carbonose 7ja en compuestos org$nicos.

La ecuación generalizada para este procesoes<

CO2 + 2H2A + E lumíica => !CH2O" +H2O + 2A

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La energía lumínica escapturada por el mundo vivo por

medio de pigmentos.

La otosíntesis en los eucariotas

ocurre dentro de organelasllamadas cloroplastos, que est$nrodeados por dos membranas.

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Aentro de las membranas delcloroplasto est$ contenida unasolución de compuestos org$nicos

e iones, conocida como estroma.

n sistema complejo de

membranas internas usionadasque orman sacos llamadostilacoides.

5:


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Los tilacoides se apilanormando los grana.

Los pigmentos " otrasmol!culas responsables de la

captura de la luz est$n situadosen las membranas tilacoides.

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%n los procariotas otosint!ticos, que nocontienen organelos internas, los tilacoidespueden ormar parte de la membranacelular.

ueden aparecer aislados en el citoplasma o

6onstituir, como en el caso de lascianobacterias, una compleja estructura dela membrana interna.

5#


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La otosíntesis ocurre en dos etapas.

1. na etapa dependiente de la luz

#. na etapa enzim$tica,independiente de la luz, lasreacciones *oscuras*.

5&


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%ste pasaje genera un gradiente deprotones que impulsa la síntesis de9T a partir de 9A, proceso

llamado otoosorilación.

9l igual que la osorilación

oidativa en las mitocondrias, laotoosorilación en los cloroplastoses un proceso quimiosmótico.

5-


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%n las reacciones de 7jación delcarbono los productos de la primeraetapa de la otosíntesis se usan en la

síntesis de mol!culas org$nicas.

%stas reacciones, que ocurren en el

estroma, orman parte de un procesodenominado 6iclo de 6alvin.

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Las mol!culas org$nicas obtenidas enel 6iclo de 6alvin )az'cares de seiscarbonos+ son usadas por las c!lulas

vegetales para elaborar gl'cidos,amino$cidos " $cidos grasos.

%stas mol!culas son utilizadas in situpara los propios 7nes de la planta "para eportar a otras partes de sucuerpo

tema 5 transferencia de energía y metabolismo celular

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