INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
CONCEPTO DE METABOLISMO
Todos los s.V. Intercambian materia con su entorno y transforman E. Para realizar las distintas funciones vitales, reproducirse, automantenerse (conservar sus propias estructuras). Los materiales necesarios que se captan del exterior (nutrientes) han de sufrir un conjunto de transformaciones (cambios químicos) para ser útiles a la cell en forma de biomoléculas. En el interior de las células estos compuestos van a realizar o bien una función energética (se transforman para obtener energía), o una función plástica, siendo materia prima para la biosíntesis de los componentes estructurales de las cells y de las sustancias intercelulares de los distintos tejidos.
Llamamos metabolismo al conjunto de todas las reacciones químicas que suceden en el interior de las células. En el metabolismo las reacciones químicas están encadenadas de forma que el producto de una reacción es el sustrato o metabolito de la siguiente. Cada conjunto de reacciones encadenadas que constituyen el metabolismo recibe el nombre de ruta o vía metabólica.
Las vías metabólicas que comportan la síntesis de biomoléculas a partir de moléculas sencillas o de monómeros reciben globalmente el nombre de anabolismo, mientras que entrañan la degradación de biomoléculas para obtener E. útil para las actividades celulares (realizar trabajos activos; movimientos cellares, contracción muscular, transporte activo a través de membranas, amplificación de señales, construcción de macromoléculas…), reciben globalmente el nombre de catabolismo. El conjunto de vías metabólicas que conectan las vías anabólicas (biosintéticas) y las catabólicas (degradativas) reciben el nombre de metabolismo intermediario.
CarácterÍSTICAS DE LAS REACCIONES METABÓLICAS. TIPOS MÁS FRECUENTES
Como en cualquier otra reacción, en las reacciones metabólicas, primero se forman nuevas sustancias (los productos o metabolitos) y en segundo lugar, durante la reacción hay un intercambio de E. Entre los compuestos reaccionantes y el entorno que las rodea. Otras carácterísticas son:
Suceden en medio acuoso. Reactivos y productos se encuentran en disolución.
Las reacciones metabólicas están encadenadas y la mayoría acopladas, de forma que la E. Liberada en una reacción (exergónica) es captada por otra reacción (endergónica) que requiere E.
Una reacción es exergónica cuando su E. Libre es menor que cero (AG<0), se libera energía. Una reacción es endergónica cuando AG>0, no se lleva a cabo de manera espontánea, pues requiere E.
Cada reacción metabólica tiene su catalizador (enzima).
En reacciones acopladas la misma enzima cataliza las dos reacciones a la vez.
Hay que recordar que para que se inicie una reacción química es necesario el aporte de una E. Inicial o de activación, independientemente de que la reacción sea espontánea o no.
Podemos destacar los siguientes tipos de reacciones metabólicas más frecuentes:
Reacciones de óxido-reducción (redox). Todas las transformaciones moleculares que desprenden E. En los procesos catabólicos son reacciones de oxidación. Toda oxidación requiere una reducción por lo que estos procesos se denominan redox. Una oxidación es una pérdida de electrones y una reducción una ganancia. De esta manera las oxidaciones van acompañadas de pérdidas de átomos de hidrógeno. Las moléculas que aceptan estos átomos de H2 se reducen. Los átomos de H2 liberados en las reacciones de oxidación van acompañadas de gran cantidad de E., almacenadas en los enlaces de los que formaban parte. Los transportadores son nucleótidos no nucleicos como el NAD+, NADP+, o el FAD, que captan átomos de H2 y los transfieren a moléculas aceptoras que finalmente se reducirán.
Reacciones de condensación. Formación de una molécula compleja a partir de metabolitos más simples.
Reacciones de hidrólisis. Inversas a las de condensación.
Reacciones de polimerización. Uníón de monómeros para formar una macromolécula u polímero.
Reacciones de isomerización. Se produce una reordenación interna de los átomos de una molécula para formar un isómero.
Reacciones de transferencia de grupos. Las más frecuentes son las reacciones de fosforilación (incorporación de un grupo fosfato a un metabolito) o de desfosforilación.
CLASIFICACIÓN DE LOS ORGANISMOS SEGÚN SU NUTRICIÓN
Hay que considerar que los requisitos para la supervivencia de un organismo se reducen a 5 puntos básicos:
1.- Una fuente ambiental de carbono. Con el fin de construir el esqueleto carbonado de sus propias biomoléculas. Según este criterio los organismos se clasifican en:
A) Autótrofos: Si asimilan el CO2 ambiental
B) Heterótrofos: Si como fuente de carbono utilizan moléculas orgánicas sencillas
2.- Una fuente ambiental de H2 (electrones): Para reducir moléculas. Según este criterio los organismos se clasifican en:
A) Litotrofos: El H2 procede de moléculas inorgánicas (H2O, SH2…)
B) Organotrofos: Precisan moléculas más complejas (orgánicas)
3.- Una fuente primaria de energía. Para hacer posible dicha reducción. Según este criterio los organismos se clasifican en:
A) Fototrofos: Si aprovechan directamente la energía luminosa
B) Quimiotrofos: Si sólo pueden servirse de E. Química
4.- Un último aceptor de los H2 (electrones): Que permita la oxidación del aceptor anterior, con la consiguiente liberación de E. Según este criterio los organismos se clasifican en:
A) Aerobios: Si el último aceptor es el oxígeno
B) Anaerobios: Si el último aceptor es otra molécula. Dos tipos:
+ Estrictos: para ellos el O2 es un veneno.
+ Facultativos: Prefieren usar el O2 como último aceptor, pero si escasea, utilizan otras moléculas.
5.- Un suministro ambiental de agua, de sales minerales, y de N2, para construir proteínas y demás compuestos nitrogenados.
Hay pues organismos fotoautótrofos (plantas verdes, protoctistas fotosintéticos, cianobacterias), quimioautótrofos (metanobacterias, nitrosomonas), fotoheterótrofos (bacterias purpúreas no sulfurosas) y quimioheterótrofos (animales, hongos, protozoos, bacterias simbióticas, saprófitas y parásitas).
INTERMEDIARIOS DEL METABOLISMO EN EL TRANSPORTE DE ENERGÍA
La E. Que se obtiene en las rutas metabólicas o la que resulta de la luz, es captada por intermediarios que la ceden allí donde se necesite. Funcionan como transportadores de electrones o de grupos químicos. Destacan:
ATP. Es un nucleótido no nucleico rico en E. Utilizable por la cell. Se la considera la moneda de intercambio de E. En la cell. Actúa como molec. De “almacenamiento” y transporte de E. Libre en los procesos metabólicos de todas las cells.
La capacidad para ceder y captar E. Del sistema (ATP → ADP), se debe a la repulsión entre cargas negativas de los grupos fosfatos.
El ATP desempeña una función análoga a una pila recargable, los organismos no acumulan ATP, tan pronto como se genera, se hidroliza y de nuevo se regenera. No es una reserva de E. , lo que se acumula son las moléculas orgánicas de reserva (almidón, glucógeno, grasas…).
En determinadas reacciones del metabolismo transfieren también E. El GTP, el UTP, etc.
Dinucleótidos de Adenina. Son coenzimas de óxido-reducción. Actúan como transportadoras de electrones desde el sustrato que se oxida hasta otra molécula que acepta electrones (se reduce).
NAD+. Interviene en reacciones de deshidrogenación de alcoholes y pasa a NADH++ H+
FAD. Interviene en reacciones de deshidrogenación con formación de dobles enlaces y pasa a FADH2.
NADPH. Interviene preferentemente en procesos de biosíntesis, ya que aporta los electrones para las reducciones necesarias.
El NADH y el FADH2 transfieren su poder reductor para la síntesis de ATP.
Coenzima A. Es un transportador de cadenas hidrocarbonadas, concretamente de grupos acilos.
EL CATABOLISMO
INTRODUCCIÓN
El catabolismo consiste en la degradación oxidativa de moléculas orgánicas (reducidas), cuya finalidad es la obtención de E. Para que las células realicen sus funciones vitales. En esta oxidación las moléculas van cediendo electrones o hidrógenos de unas a otras hasta llegar al último aceptor, que en organismos aerobios es el oxígeno molecular, y en anaerobios otras moléculas como NO2-, SO42- … (aquí la oxidación es parcial o incompleta). La energía se obtiene en forma de ATP y podrá ser utilizada en otros procesos que requieran aporte de E. , como las rutas anabólicas. La E. Que no se almacena se disipa en forma de calor.
(Esquema general del Catabolismo)
LA Glucólisis
Ruta de Embden-Meyerhof. Ocurre en el citosol. Se trata de una secuencia de reacciones (10 reacciones), en la que una molécula de glucosa (6 atm. De C.), se transforma en 2 moléculas de piruvato (3 atm de C.). Se agrupa para su estudio en 2 fases o etapas:
Fase 1: glucosa→ fructosa 1,6 BP→ DHAP + G3P……consume 2 ATP
DHAP↔G3P
Fase 2 :2G3P→ 2Piruvato ………Produce 4 ATP y 2 NADH
DHAP: Dihidroxiacetona fosfato.
G3P: Gliceraldehido 3 fosfato.
El balance total es de 2 moléculas de NADH y 2 moléculas de ATP.
Su ecuación global es:
Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
La eficacia de la Glucólisis como ruta energética es muy baja, pues sólo tiene un rendimiento neto de 2 ATP, es decir se obtiene sólo el 20% de la E. Almacenada en la molécula de glucosa. Esto apoya la hipótesis de su gran antigüedad, que también viene apoyada en que se lleva a cabo en todas las cells eucariotas y en la gran mayoría de las procariotas.
Aunque la glucosa es el monosacárido más utilizado por las cells para obtener E. Otros pueden también desembocar en la glucólisis, como es el caso de la fructosa, la galactosa o la manosa.
LA FERMENTACIÓN
Cuando el catabolismo ocurre en condiciones anaerobias (para algunos autores glucólisis anaerobia), es decir el último aceptor de electrones (o de hidrógenos) no es el oxígeno, sino una molécula orgánica sencilla como el lactato o el etanol, las rutas de degradación de la glucosa se llama fermentación.
En un mismo organismo pueden darse tanto rutas anaerobias como aerobias. Un ejemplo de ello son las fibras musculares estriadas de los vertebrados, que en condiciones anaerobias producen lactato, regenerando NAD+.
El paso de piruvato a lactato o etanol son en realidad reducciones.
FERMENTACIÓN LÁCTICA (HOMOLÁCTICA)
Son numerosas las bacterias que realizan esta fermentación, pero destacan los lactobacilos.
Convierten el piruvato procedente de la glucólisis en lactato (enzima catalizadora: lactato deshidrogenesa), de esta forma se regenera el NAD+ para proseguir la glucólisis.
El balance total es de 2 ATP
La ecuación global es: glucosa + 2 ADP + 2 Pi→2 lactatos + 2 ATP + 2 H2O
FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA
Vinculada a hongos (96% – levaduras y mohos) y bacterias (4%). Esto es debido a que la piruvato descarboxilasa, sólo aparece en estos organismos. Entre Las levaduras destacamos Saccharomycescerevisiae. Convierten el piruvato en etanol en 2 etapas:
1.- Piruvato→Acetaldehído + CO2 (piruvato descarboxilasa)
2.- Acetaldehído + NADH + H+ ↔ Etanol + NAD+ (piruvato deshidrogenasa)
El balance energético es de 2 molec. De ATP
La ecuación global es: glucosa + 2 ADP + 2 Pi→2 etanol + 2CO2 + 2 ATP + 2 H2O
La fermentación heteroláctica es cuando además de lactato se producen otras sustancias.
RESPIRACIÓN CELULAR
La respiración celular es un proceso metabólico, concretamente una ruta catabólica aerobia que, mediante un conjunto de reacciones o transformaciones químicas, se obtiene E. A partir a partir de moléculas orgánicas para el trabajo celular y para la biosíntesis.
Las moléculas orgánicas se oxidan por vía aeróbica y ceden electrones al oxígeno a través de intermediarios metabólicos como el NADH y el FADH2 .En el transcurso de esta cesión se produce ATP. Como productos finales se obtiene CO2 y H2O.
Los principales combustibles son los glúcidos (principalmente la glucosa) y los ácidos grasos. También los aa pueden ser catabolizados en la respiración.
A respiración celular se lleva a cabo en tres fases que representan rutas conectadas:
PRIMERA FASE. FORMACIÓN DE ACETIL-CoA
También denominada descarboxilación oxidativa.
El acetil-CoA es un intermediario central del metabolismo. Es una molécula activada en la que convergen no sólo la glucosa, sino también los ácidos grasos y algunos aminoácidos.
GLÚCIDOS
El piruvato formado en la glucólisis en el citoplasma cellar, pasa a la matriz mitocondrial atravesando la M. Externa y la M. Interna. Allí el piruvato sufre una oxidación (se oxida en 2 etapas).
1.Primero se produce una descarboxilación líberándose CO2 y formándose un grupo acilo (acetilo). En esta reacción se forma una molécula de NADH a partir de la reducción de NAD+.
2. Cada grupo acetilo se une momentáneamente a un compuesto denominado coenzima A (nucleótido de gran tamaño), originándose el acetil-CoA.
Esta oxidación está catalizada por el complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa (piruvato DHasa), que está formada por 3 enzimas y 5 coenzimas.
LÍPIDOS
Las grasas son una forma de reserva combustible muy importante y de las que se obtienen gran cantidad de E., contenida principalmente en las largas cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos (proporcionan más del doble de ATP de moléculas de ATP por unidad de peso que la glucosa).
Los triglicéridos se degradan por medio de las lipasas y liberan las cadenas de ácidos grasos. Estos se degradan en la matriz mitocondrial mediante una ruta catabólica denominada β-oxidación (se produce la oxidación del carbono β – carbono 3 – ), que da lugar a moléculas de 2 carbonos en forma de acetil-CoA. Se formarán un nº de acetil-CoA igual a la mitad del número de carbonos que tiene el ácido graso.
La degradación de los ácidos grasos se inicia con su activación por la uníón a la coenzima A, mediante un enlace éster y con la mediación del AMP para formar un acil-CoA. El acil-CoA (en realidad la activación del ácido graso a acil-CoA en el RE o en la membrana mitocondrial externa, con gasto de una molécula de ATP) pasa del citoplasma a la matriz mitocondrial (atraviesan la M. Interna gracias a una molécula transportadora, la L-carnitina.
El ciclo de β-oxidación comprende 4 etapas:
1.- Deshidrogenación (u oxidación por FAD). Reacción de oxidación que produce un doble enlace entre los carbonos 2 y 3 del acil-CoA. Interviene el FAD como coenzima que se reduce a FADH2.
2.- Hidratación. La adición de una molécula de H2O al doble enlace produce un grupo hidroxilo en el carbono 2
3.- Oxidación por NAD+. El grupo alcohol es oxidado a grupo ceto. La coenzima que capta los electrones de esta oxidación es el NAD+ que se reduce a NADH.
4.- Tiolisis. Rotura del enlace que une los carbonos 2 y 3 por la incorporación de una molécula de CoA. Como resultado tenemos un acil-CoA con 2 carbonos menos, que experimentará un nuevo ciclo de β-oxidación y una molécula de acetil-CoA.
SEGUNDA FASE. CICLO DE KREBS
El CAT (ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es un conjunto cíclico de reacciones que produce la oxidación completa de grupos acetilos hasta CO2 .El ac-CoA resultante de la oxidación de glúcidos, ac. Grasos y aas, se condensa con una molécula de 4 átomos de carbono, el oxalacetato, para formar citrato. El oxalacetato se regenera en una secuencia cíclica de reacciones llamada CAT.
Su ecuación global es:
Ac-CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+H2O→2CO2+3NADH+3H++FADH2+GTP+CoA
Funciones:
1.- Obtención de poder reductor: NADH y FADH2
2.- Obtención de precursores metabólicos
3.- Obtención de E. En forma de GTP
Conclusiones:
1.- Sólo se puede producir en condiciones aerobias. Los NADH y FADH2 cederán sus electrones al oxígeno en la cadena respiratoria (o cadena de transporte de electrones), y volverán a sus estados oxidados.
2.- Es un ciclo catalítico. El CAT es un rodeo pero necesario, ya que el ácido acético sólo puede oxidarse directamente suministrando una alta E. Libre de activación que la cell no puede permitirse.
3.- Es una ruta anfibólica: catabólica y anabólica, pues el rodeo produce múltiples intermediarios, alguno de los cuales inician rutas biosintéticas.
El CAT tiene lugar en la matriz mitocondrial.
TERCERA FASE. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
Las formas reducidas NADH y FADH2, tienen un elevado poder reductor, y transfieren los electrones al oxígeno molecular a través de la cadena de transporte de electrones y no directamente, pues se produciría una gran cantidad de calor, perdiendo así mucha E. Este proceso libera gran cantidad de E. Libre que se emplea en la formación de ATP a partir de ADP + Pi, en la llamada fosforilación oxidativa.
CADENA RESPIRATORIA DE ELECTRONES
En las cell eucariotas, la cadena respiratoria de electrones tiene lugar en la M.I. Interna de las mitocondrias (en bacterias en la M.P.). En ella, agrupados en 4 complejos enzimáticos, se sitúan los diferentes transportadores, cuyos componetes son proteínas.
El flujo de electrones es energéticamente favorable, cada componente de la cadena tiene mayor potencial redox (mayor afinidad por los electrones) que el que le precede y menor que el que le sigue (de menor a mayor). Los electrones descienden a niveles energéticos inferiores. La E. Se va liberando gradualmente, pero hay 3 saltos mayores, a nivel de los complejos I, II y IV.
Los complejos son:
1.- Complejo I: Complejo NADH deshidrogenasa o complejo NADH-Q-reductasa
2.- Complejo II: Complejo succinato deshidrogenasa que cede electrones a la Ubiquinona o Coenzima Q (muchos autores no lo consideran un verdadero complejo).
3.- Complejo III: Complejo citocromo b-c1o complejo citocromo reductasa
4.- Complejo IV: Complejo citocromo-oxidasa
La ruta de los electrones o secuencia de transporte es la siguiente:
Los electrones captados por el NADH entran en la cadena cuando son transferidos al FMN que se reduce a FMNH2.
El FMNH2 cede los electrones a la ubiquinona (CoQ), que vuelve a su forma oxidada, para recibir otro par de electrones y la CoQ se reduce.
A continuación la CoQ cede lo9s electrones a otro aceptor (Citocromo C). Y vuelve a su forma oxidada.
El proceso se repite de forma descendente (Cit. A que cede a ….). Al pasar los electrones por la cadena respiratoria, van saltando a niveles energéticos inferiores.
Los electrones llegan hasta el oxígeno, formando H2O, que sale de la mitocondria y de la célula.
También puede accederse a la cadena respiratoria lateralmente desde el FADH2, que entraría a un nivel energético ligeramente inferior que los NADH, es decir transfiere los hidrógenos al CoQ.
FOSFORILACIÓN OXIDATIVA
La E. Que se va liberando a medida que los electrones se mueven a través de la cadena transportadora, se emplea para fabricar ATP, a partir de ADP y Pi.
Las medidas cuantitativas demuestran que por cada 2 electrones que pasan del NADH al O2, se forman 3 moléculas de ATP a partir de ADP + Pi. Sin embargo, por cada 2 electrones que pasan del FADH2 y entran en la cadena respiratoria, a un nivel energético inferior, se forman 2 ATP.
El mecanismo por el que se sintetiza ATP se explica según la teoría del acoplamiento quimiosmótico o hipótesis quimiosmótica de Peter Mitchell. Según esta hipótesis, los tres complejos principales son auténticas bombas de protones. Cuando los electrones van pasando de un nivel energético a otro inferior, la E. Que se va liberando es empleada por los complejos proteicos para bombardear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana (se cree que 10 H+ por electrón que recorre la cadena de transporte desde el NADH). Esto consigue que se establezca un gradiente electroquímico entre la matriz y el espacio intermembrana, capaz de generar una fuerza protomotriz, que proporcione E. Para hacer funcionar cualquier proceso acoplado a un canal, por el que puedan circular protones a favor de gradiente electroquímico hacia la matriz. Esto se realiza a través del complejo ATP-sintetasa, que genera ATP a partir de ADP + Pi (recordar que la M.I. Es muy poco permeable).
BALANCE ENERGÉTRICO
(Hacer en clase)
EL ANABOLISMO
INTRODUCCIÓN
Se denomina anabolismo al conjunto de procesos químicos, mediante los cuales, la cell sintetiza la mayoría de las sustancias que la constituyen. Los constituyentes de una cell, salvo el agua, son macromoléculas formadas por condensación de monómeros. Así pues, el estudio de los procesos biosintéticos considerará la forma en que se sintetizan los monómeros (monosacáridos, ac. Grasos, nucleótidos y aminoácidos), y como tiene lugar su polimerización para originar las macromoléculas.
Muchas reacciones anabólicas conducen a un aumento del orden biológico, lo que en términos termodinámicos significa que necesita un aporte de E para poder llevarse a cabo. Esta E la proporciona la hidrólisis de ATP, una reacción altamente exergónica (libera E libre).
Para sintetizar moléculas, la cell necesita llevar a cabo una serie de reacciones de reducción, acopladas a la oxidación de NADH o NADPH, y así obtener los electrones necesarios para iniciar las reducciones precisas.
Podemos decir sobre las reacciones anabólicas:
1.- La ruta anabólica para la síntesis de una sustancia es distinta a la catabólica que la degrada, aunque comparta algunas etapas reversibles.
2.- El control o regulación de los procesos anabólicos y catabólicos es independiente
3.- El intermediario común que conecta ambos procesos es el ATP, pues el anabolismo la consume y catabolismo lo produce.
4.- La glucosa y otros carbohidratos se sintetizan fundamentalmente en una ruta denominada gluconeogénesis, a partir de piruvato u otro intermediario del CAT.
5.- Los lípidos pueden sintetizarse a partir de la glucosa
6.- Los aa se sintetizan en complejas rutas que requieren aporte de fuente de nitrógeno. Los vertebrados no pueden sintetizar los aa esenciales.
Los organismos capaces de construir su estructura a partir de materiales inorgánicos son autosintéticos o autótrofos. Muchos de ellos son capaces de producir sustancias orgánicas complejas a partir de E procedente de la luz. Son los organismos fotosintéticos. Otros obtienen la E a partir de reacciones químicas de oxidación de moléculas inorgánicas, son los quimiosintéticos.
LA FOTOSÍNTESIS(Biosíntesis de glúcidos)
Los organismos fotosintéticos (plantas, algas, y algunas bacterias- cianobacterias, bacterias purpúreas, bacterias verdes del azufre etc-), son capaces de utilizar la E lumínica para obtener ATP, y de estos, los que son oxigénicos, obtienen también poder reductor en forma de NADPH.
El proceso biosintético que parte del dióxido de carbono y del agua como sustratos iniciales y requiere como fuente de E, la luz del Sol, recibe el nombre de fotosíntesis. Su ecuación global es:
luz
6 CO2+ 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Algunas bacterias no forman O2, puesto que no utilizan el agua como dador de hidrógenos (electrones), sino otros compuestos como SH2, isopropanol o lactato.
PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS
Para que la E de la luz pueda ser utilizada por los seres vivos, es necesario que sea absorbida. Las sustancias que absorben la luz son los pigmentos, que se encuentran en las membranas tilacoidales del cloroplasto. Son moléculas que contienen un cromóforo, grupo químico capaz de absorber una longitud de onda particular del espectro visible. Entre estas moléculas se encuentran las clorofilas (a, b, c→ en protozoos y diatomeas, y bacterioclorofila), los carotenoides (β-carotenos, xantofilas) y las ficobilinas (algas rojas).
La molécula de cha (clorofila) es una molécula especial, concretamente una metaloporfirina, formado por un anillo tetrapirrólico que contiene en su interior un catión metálico (mg), cuya función es absorber la luz, y una cadena hidrófoba de fitol (diterpeno), que mantiene la cha integrada en la membrana tilacoidal.
FASES DE LA FOTOSÍNTESIS
Tradicionalmente se ha considerado la fotosíntesis como un proceso separado en dos fases diferentes, cada una de las cuales tiene sus reacciones químicas carácterísticas. Las dos fases se separan gracias a la reacción de Hill. Así la fase luminosa (fase fotoquímica) consta de las reacciones que ocurren sólo en presencia de luz. Comprende el proceso de excitación electrónica de la cha y la obtención del ATP y el NADPH. Tiene lugar en la membrana tilacoidal. La fase oscura, en la que no es imprescindible la luz, aunque también puede ocurrir de día, comprende la utilización de la E química obtenida en las reacciones lumínicas para reducir CO2 atmosférico (gracias al poder reductor –NADPH- obtenido en la fase anterior) y su incorporación a las cadenas carbonadas de las biomoléculas. El conjunto de las reacciones metabólicas de esta 2ª etapa se denomina ciclo de Calvin, en honor a su descubridor.
FASE LUMINOSA
En las membranas tilacoidales de los cloroplastos se encuentran los denominados fotosistemas, formados por moléculas de cha y carotenoides (alrededor de 200 moléculas antenas o colectoras- complejo antena-) y una molécula especial de cha a unida a una proteína específica (centro de reacción). Los pigmentos de cada fotosistema están distribuidos de manera que actúan como antenas o colectores, absorben la E luminosa (cada pigmento presenta un máximo de absorción a una determinada longitud de onda) y la transmiten al centro de reacción.
Existen dos tipos de fotosistemas (Fotosistema I y Fotosistema II) en cells fotosintéticas que desprenden oxígeno (plantas, algas y cianobacterias), en el resto de bacterias, sólo un tipo de fotosistema. Cuando la E luminosa captada por los pigmentos es transferida a la molécula especial de cha a del fotosistema I (llamada P700, por tener un máximo de absorción de luz a 700 nm de longitud de onda), esta se excita y cede electrones a una quinona y posteriormente, ésta a 3 centros sulfoférricos pasando finalmente a la ferredoxina, que reduce a la molécula de NADP+ para formar NADPH.
Como consecuencia del proceso descrito, la cha P700 del PS I (Fotosistema I), queda oxidada. Para que pueda volver a funcionar es necesario que recupere los electrones perdidos. Estos le serán restituidos desde el PS II de la siguiente manera: En el PS II, cuando su molécula especial de cha a (llamada aquí P680), es excitada, cede electrones que al igual que en el PS I, son conducidos a través de una cadena de transporte electrónico (feofitina → 2 plastoquinonas → complejo proteínico b6f → plastocianina → PS I), que finaliza cuando los electrones son recuperados por la cha P700 del PS I. Es ahora la cha 680 la que queda oxidada. Para volver a su estado inicial recibe los electrones de la descomposición de la molécula de H2O (fotolisis del agua), que al igual que los fotosistemas libera H+ al espacio tilacoidal y libera O2.
H2O → 2 e- + 2 H+ + ⅟2 O2 (2H2O → 4 e- + 4 H+ + O2)
La reacción global de óxido-reducción sería:
4 hƲ 8hƲ
H2O + NADP+ → ⅟2 O2 + NADPH + H+ (2 H2O + 2 NADP+ → 2 NADPH + 2 H++ O2
Por cada electrón que fluye desde el agua al NADP+ se absorben 2 fotones, uno en cada fotosistema.
+ FOTOFOSFORILACIÓN NO CÍCLICA
Durante el transporte electrónico entre el PSI y el PSII, parte de la E que pierden los electrones se utiliza para bombear protones en contra de gradiente, desde el estroma al espacio tilacoidal (a través del complejo citocromo bf) . Cuando los H+ vuelven al estroma a favor de gradiente, lo hacen a través de la ATP-sintetasa, lo que da como resultado la síntesis de ATP.
Los protones del estroma proceden de:
De la fotolisis del agua.
De la formación del NADPH + H+
Este proceso de síntesis de ATP recibe el nombre de fotofosforilación. Se denomina no cíclica (en cloroplastos y cianobacterias), puesto que el flujo de los electrones que la produce no es cíclico, en oposición al proceso que estudiaremos después.
La reacción global de todo el proceso es:
H2O + NADP+ + ADP + Pi → ½ O2 + NADPH + H+ + ATP
+ FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA
Posteriormente estudiaremos que en el ciclo de Calvin (conjunto de reacciones acopladas a la fotofosforilación), se consumen más moléculas de ATP que de NADPH, y que sin embargo se ha comprobado que en la fotofosforilación no cíclica se produce aproximadamente la misma cantidad de moléculas de ATP que de NADPH.
Se ha descubierto en los cloroplastos y en procarioticos fotosintéticos, una vía alternativa, consistente en un transporte electrónico cíclico, que no lleva a cabo la reducción del NADP+. Los electrones excitados parten del PSI y regresan a él, a través de los transportadores electrónicos, volviendo a reducir a la cha especial oxidada. Por
Tanto interviene un solo PS, el PSI (los electrones van desde la ferredoxina al complejo bf).
A su paso por el complejo bf, se realiza un bombeo de protones del estroma al espacio tilacoidal, lo que contribuye a la síntesis de ATP en los complejos ATP-sintetasas. De esta manera se incrementa el nº de ATP sin que se produzcan nuevas moléculas de NADPH. Tampoco se hidrolizan moléculas de agua. Es en caso de necesidad de ATP, o si escasea el NADP+, cuando los cloroplastos inducen la fotofosforilación cíclica.
+ FOTOFOSFORILACIÓN BACTERIANA
Las bacterias fotosintéticas, excepto las cianobacterias, tienen pigmentos fotosintéticos, las bacterioclorofilas, distintos a la clorofila a. Estos pigmentos se asocian a un solo fotosistema, que a efectos de potencial redox, se asimila a el PSI de los cloroplastos. Habrá también un transporte de electrones que acabará con la reducción de NADP+ a NADPH. Pero el donador de electrones aquí, no puede ser el agua, teniendo cada grupo bacteriano, distintas moléculas reducidas dadoras de electrones (ej. SH2).
FASE OSCURA. CICLO DE CALVIN
El ciclo de Calvin tiene lugar en el estroma de los cloroplastos o en el citoplasma de las procariotas fotosintéticas, lugares donde se van a acumular los productos de la fotofosforilación. En su estudio se suelen distinguir 3 etapas:
+ FIJACIÓN DEL CO2
En el estroma de los cloroplastos o en el citoplasma de las procariotas fotosintéticas, se encuentra la enzima ribulosa-1,5-bisfosfato-carboxilasa-oxidasa, abreviadamente Rubisco (enzima más abundante en la Nª), la cual cataliza la reacción:
Ribulosa 1,5 bisfosfato + CO2 → 2 3-fosfoglicerato
El CO2 es un compuesto inorgánico, mientras el 3 PG es orgánico, lo que implica que ha tenido lugar la fijación del carbono inorgánico en compuestos orgánicos.
+ FASE REDUCTIVA
El 3 PG es un compuesto demasiado oxidado para que pueda ser utilizado en la síntesis de monosacáridos y otros compuestos orgánicos. Para reducirlo, intervienen los productos energéticos de la fotofosforilación. La reducción se va a producir en 2 pasos:
3 PG + ATP ↔ 1,3 bisPG + ADP
1,3 bisPG + NADPH + H+ ↔ G3P + NADP+ + Pi
+ REGENERACIÓN DE LA RIBULOSA 1,5-BISFOSFATO
Parte del G3P es aprovechado para la síntesis de compuestos orgánicos, y otra parte,
la mayoría, es utilizado para generar la Ru 1,5-bisP, compuesto necesario para la fijación del carbono inorgánico.
Las moléculas de G3P se unen a la F6P y tras una serie compleja de transformaciones, desemboca en la formación de Ru-5P, que tras la hidrólisis de ATP produce Ru-1,5-bisfosfato.
El balance global de la fase oscura de la fotosíntesis, indica la formación de glucosa a partir de CO2:
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ → C6H12O6 + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+
FACTORES QUE AFECTAN A LA FOTOSÍNTESIS
En la fotosíntesis, como en todo proceso químico, existen factores que condicionan su rendimiento. Esta eficacia fotosintética siempre se puede medir en función de la concentración de CO2 asimilado por unidad de tiempo.
Concentración del CO2 ambiental:
Al ser el CO2 el sustrato esencial de la fotosíntesis, su carencia frena el proceso, y su baja concentración disminuye la actividad fotosintética.
Concentración de O2:
Cuando la concentración de oxígeno aumenta considerablemente, la eficacia de la fotosíntesis disminuye, debido a la competencia entre el O2 y el CO2 como sustrato de la rubisco.
Intensidad luminosa:
A mayor int. Luminosa, mayor es la tasa fotosíntetica, pues la luz activa la rubisco en la fase oscura. El rendimiento se estabiliza según las carácterísticas óptimas de los pigmentos de cada especie.
Humedad:
Al disminuir el grado de humedad (agua tanto en el suelo como en el ambiente), disminuye la fotosíntesis, pues se cierran los estomas para evitar pérdidas de agua, reducíéndose la asimilación de CO2.
Temperatura:
El rendimiento fotosintético aumenta con la Tª hasta alcanzar un punto máximo. Este punto corresponde con la Tª óptima de actividad de las enzimas.
LA QUIMIOSÍNTESIS
Proceso que realizan los organismos autótrofos y por el que van a obtener materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas sencillas (nitrito, amoniaco, sulfuros, hidrógeno etc.), pero cuya fuente de E no va a ser la luz, sino que obtendrán la E química a partir de la oxidación que realiza el propio organismo (E desprendida de reacciones químicas redox-exergónicas)
Este tipo de nutrición se encuentra exclusivamente en bacterias que viven en una fuente inorgánica y pueden asimilar CO2 del medio, utilizando el ciclo de Calvin para sintetizar materia orgánica, además son aerobias (obtienen el ATP y el poder reductor mediante oxidaciones, usándolos después en el ciclo de Calvin para la síntesis de mat.Orgánica).
Estas bacterias se pueden clasificar en:
Bacterias quimiosintéticas del nitrógeno:
Oxidan compuestos nitrogenados.
Nitrosomonas: Oxidan amoniaco a nitrito.
Nitrobacter: Completan la oxidación de nitrito a nitrato.
Ambas se complementan y comparten el mismo hábitat, lo que es tóxico para la segunda (NH3), lo transforma la 1ª en el sustrato de la 2ª.
Bacterias quimiosintéticas del azufre:
Oxidan azufre (S0), sulfuro de hidrógeno o tiosulfato (S2O32-), para producir sulfúrico. Lo llevan a cabo tiobacterias y bacterias sulfurosas.
Bacterias quimiosintéticas del hierro:
Aprovechan la E de oxidación de hierro ferroso a férrico. La realiza tiobacillus.
Bacterias quimiosintéticas del hidrógeno:
Bacterias capaces de utilizar hidrógeno como fuente de E (H2+ ½O2→H2O).
Existen bacterias capaces de oxidar hasta el metano.
GLUCONEOGÉNESIS
Ruta metabólica por la que tiene lugar la síntesis de glucosa a partir de precursores más sencillos. Tiene lugar preferentemente en el hígado y en parte en el riñón, donde a partir de lactato, aas, o de algún metabolito del ciclo de Krebs, se sintetizará glucosa. Actúan enzimas de la Glucólisis (las de las reacciones reversibles) y otras específicas. El proceso no sigue en todo momento el camino inverso de la glucólisis (3 enzimas distintas que corresponden a las tres rutas irreversibles).