El documento describe los procesos de fotosíntesis y metabolismo celular. La fotosíntesis consta de dos fases: la fase lumínica donde la luz es absorbida por pigmentos en los cloroplastos para producir ATP y NADPH; y la fase oscura donde esta energía química se usa para fijar el carbono del CO2 y sintetizar glucosa sin necesidad de luz.

1. Anabolismo

2. Metabolismo Conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células Catabolismo. Consiste en pasar de moléculas complejas a moléculas simples, liberando energía. Por ejemplo la respiración celular Anabolismo. Consiste en pasar de sustancias simples a complejas. Para ello se necesita un aporte de energía extra. Ej: Síntesis de aminoácidos , de lípidos , fotosíntesis…

3. Funciones Los nucleótidos pueden actuar como: Ácidos nucleicos: ADN y ARN Nucleótidos no nucleicos: están libres en las células e intervienen en el metabolismo celular como activadores de enzimas, aportando energía química en las reacciones y actuando como coenzimas. FAD, ADP, ATP, AMP cíclico…

4. Nucleótidos no nucleicos ADP (difosfato de adenosina) y ATP (trifosfato de adenosina). Los grupos fosfato se unen mediante enlaces ricos en energía. Esta se libera por reacciones de hidrólisis. El ATP es la “ moneda energética ”. Acumula energía en las reacciones exergónicas (las que desprenden energía) y aporta energía para facilitar otras reacciones endergónicas (las que necesitan un aporte energético extra) Además del ATP y ADP también intervienen en otras reacciones el GDP y el GTP

5. Nucleótidos no nucleicos

6. ATP ATP: adenosín trifosfato

7. Nucleótidos no nucleicos AMP cíclico (AMPc) Nucleótido de adenina cuyo ácido fosfórico está esterificado con los carbonos 5´y 3´de la ribosa Se forma por la adenilato ciclasa localizado en la membrana celular Se denomina segundo mensajero ya que transmite y amplifica el interior de la célula señales que llegan mediante hormonas (que serían los primeros mensajeros)

8. AMP cíclico

9. Nucleótidos no nucleicos Coenzimas Son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en reacciones catalizadas enzimáticamente, actuando generalmente como transportadores de energía Nucleótidos de flavina: FMN: flavín-mononucleótido FAD: flavín-adenín-dinucleótido Nucleótidos de piridina: NAD: dinucleótido de nicotinamida y adenina NADP: fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina Coenzima A

10. Nucleótidos energéticos

11. Enzimas Una vez vistos los aceptores y transportadores de electrones, vamos a ver cómo ocurren las reacciones químicas

12. Enzimas Son proteínas que catalizan de forma específica determinadas reacciones químicas, uniéndose a una molécula que se va a transformar (sustrato). E+S= E+P E= Enzima S= Sustrato P= Producto

13. Partes del enzima El centro activo es el lugar en el que se unen enzima y sustrato. Existe un reconocimiento estérico, es decir, relacionado entre espacio y volumen de ambos

14. Reacciones enzimáticas

15. Actuación enzimática

16. Factores que afectan a la velocidad de reacción

17. Cofactores Algunas enzimas son proteínas exclusivamente y otras no y deben unirse a otras moléculas de naturaleza no proteica. Se denominan holoenzimas. Holoenzima= apoenzima + cofactor Apoenzima: parte proteica Cofactor: parte no proteica Los cofactores pueden ser cationes metálicos (Zn, Fe, Mg…) o moléculas orgánicas (vitaminas). En este caso se denominan coenzimas

18. Acoplamiento de reacciones

19. Metabolismo celular

20. Anabolismo Consiste en construir sustancias complejas a partir de sustancias más simples Vamos a estudiar varios procesos anabólicos: Fotosíntesis Quimiosíntesis Síntesis de aminoácidos Gluconeogénesis

21. Anabolismo La construcción de biomoléculas propias de cada especie sólo pueden llevarla a cabo seres vivos a base de capturar determinadas sustancias del medio. La vida de los humanos no sería posible sin el proceso que realizan algunas bacterias y las plantas superiores: la fotosíntesis Capturan la energía del sol y la usan para formar glúcidos y otras moléculas que constituyen los tejidos vegetales y que se incorporarán a los tejidos animales al alimentarse de ellas.

22. Formas de nutrición Según la fuente ambiental de carbono Autótrofos. Asimilan el CO 2 ambiental Heterótrofos. Moléculas orgánicas sencillas como materia prima Según la fuente ambiental de hidrogeno (electrones) Litotrofos. El H procede de sustancias inorgánicas como H2= o H2S Organotrofos. Si precisan moléculas más complejas Según la fuente primaria de energía Fototrofos. Si aprovechan la luz directamente Quimiotrofos. Si sólo utilizan energía química Según el aceptor último de hidrógenos Aerobios. Si el aceptor último es el Oxígeno Anaerobios. Si el aceptor último de electrones no es el oxígeno Todo organismo requiere C, H, energía, agua y sales minerales para sobrevivir

23. Clasificación de los organismos según su nutrición

24. Energía química La energía puede manifestarse de muchas maneras: luminosa, química, calorífica…. Cuando nos referimos a energía química estamos hablando de la energía que hay en los enlaces de las moléculas de los seres vivos. Por ejemplo en esta molécula, hay Mucha energía “guardada” en los enlaces que la componen y si se rompe (cataboliza) se liberará dicha energía. Los vegetales a partir de la luz solar, CO 2 y H 2 O son capaces de sintetizar moléculas en las cuales existe energía química almacenada De ahí la gran importancia que tienen los vegetales para la vida

25. Fotosíntesis Permite que las células capten la energía luminosa del Sol y la transformen en energía química, la energía útil para cualquier ruta metabólica Esta energía se almacena y después la aprovechan en la síntesis de principios inmediatos Este proceso se realiza en las células que poseen cloroplastos

26. Fotosíntesis Fase lumínica (fotoquímica). Reacciones dependientes de la luz que ocurren sobre las membranas tilacoidales . Los electrones liberados tras la incidencia de los fotones sobre los fotosistemas se utilizan para reducir NADP+ a NADPH. A través de la cadena transportadora de elctrones, la energía que tienen se usa en la síntesis de ATP: fotofosforilación Fase oscura (biosintética). Reacciones que no dependen de la luz y ocurren en el estroma. Aprovechan la energía y el poder reductor obtenido en la fase lumínica para asimilar y reducir el carbono del CO 2 y así se obtienen moléculas exclusivas mediante un proceso de fijación del carbono

27. Esquema general fotosintético

28. Cloroplastos Plastos de mayor importancia biológica Poseen pigmento fotosintético ( clorofila ) de color verde Transforman la energía lumínica en energía química que puede ser utilizada por los vegetales

29. Estructura del cloroplasto Tilacoide. En ellos se realizan todos los procesos de la fotosíntesis que requieren luz: formación de ATP y de NADPH . Sobre la cara externa se sitúan los complejos F1 y los pigmentos fotosintéticos Estroma. Posee enzimas encargadas de la fijación del CO2, la más abundante la Rubisco (rbulosa 1,5-difosfato carboxilasa), así como enzimas para la replicación, transcripción y traducción del ADN del cloroplasto

30. Funciones del cloroplasto Fotosíntesis Reacciones dependientes de la luz: producción de ATP y NADPH Reacciones independientes de la luz: usan la energía producida en la primera para la fijación del CO 2 y formación de glúcidos principalmente Fase luminosa: tilacoides Fase oscura: estroma

31. Pigmentos fotosintéticos Para que la energía pueda ser usada por los seres vivos primero tiene que ser absorbida. Esto lo hacen los pigmentos que se encuentran en las membranas tilacoidales. Estas tienen un cromóforo , grupo químico capaz de absorber una longitud de onda concreta. En estas moléculas se encuentra la clorofila , la xantofila y los carotenoides . Clorofila consta de: anillo de porfirina que contienen magnesio y absorbe la luz y una cadena hidrófoba o fitol , que mantienen a al clorofila integrada en la membrana fotosintética La absorción de luz causa una redistribución de la densidad de electrones en la molécula, favoreciendo la pérdida de un electrón hacia un aceptor adecuado

32. Pigmentos fotosintéticos En eucariotas, la clorofila a es el pigmento implicado en la transformación de la energía luminosa en química También existen otros pigmentos como clorofila b y carotenoides En diatomeas existe clorofila c Todas absorben distintas longitudes de onda (su espectro de absorción es distinto)

33. Pigmentos fotosintéticos Molécula excitada : aquella que ha sufrido un cambio en la distribución de sus electrones tras recibir energía. Si esa molécula vuelve a su estado primitivo, desprenderá una cantidad de energía menor que la que absorbió para excitarse La luz que incide sobre una hoja posee multitud de longitudes de onda, así que la presencia de distintos pigmentos garantiza que un mayor número de fotones pueda estimular la fotosíntesis

34. Fotosistemas Los cloroplastos poseen unas 3 moléculas más de clorofila que las requeridas para la fotosíntesis. Estas actúan como una unidad fotosintética o fotosistema, en al cual, solo la clorofila del centro de reacción actúa transfiriendo electrones a un aceptor. Aunque las moléculas de clorofila no convierten directamente la energía, todas absorben luz y forman una especie de antena para atrapar fotones de diferente longitud de onda. Cuando una molécula se excita al captar un fotón, se transfiere esa energía a una molécula situada en el centro de reacción El centro de reacción contiene dos moléculasespeciales de clorofila a, que tienen el pico más alto de absorción a la longitud de onda mayor y que actúan liberando electrones hacia la cadena de transporte electrónico de la membrana tilacoidal

35. Fotosistema

36. Fotosistemas Un fotón de luz roja no contiene suficiente energía para elevar un electrón al nivel energético requerido El PSII impulsa los electrones desde un nivel energético menor que el del agua hasta uno a mitad de camino, para que el PSI lo eleve por encima del nivel del NADP+ Fotosistema I (PSI). En las membranas de los tilacoides no apilados en contacto con el estroma. El centro de reacción contiene dos moléculas de clorofila a denominada P 700 puesto que tiene su punto de máxima absorción a longitud de onda de 700nm Fotosistema II (PSII). Se localiza en los grana. Su centro de reacción posee dos moléculas de clorofila, denominadas P680 Cuando la luz solar incide sobre las membranas tilacoidales simultáneamente se absorbe energía en los pigmentos antena de ambos fotosistemas. Los electrones de ambos fotosistemas son transferidos a un aceptor primario de electrones Los centros de reacción quedan con un electrón menos, atraen electrones y después se inicia e flujo electrónico

37. Fotosíntesis Fase lumínica (fotoquímica). Reacciones dependientes de la luz que ocurren sobre las membranas tilacoidales . Los electrones liberados tras la incidencia de los fotones sobre los fotosistemas se utilizan para reducir NADP+ a NADPH. A través de la cadena transportadora de elctrones, la energía que tienen se usa en la síntesis de ATP: fotofosforilación Fase oscura (biosintética). Reacciones que no dependen de la luz y ocurren en el estroma. Aprovechan la energía y el poder reductor obtenido en la fase lumínica para asimilar y reducir el carbono del CO 2 y así se obtienen moléculas exclusivas mediante un proceso de fijación del carbono

38. Fase lumínica Esquema en Z Los fotosistemas actúan en serie y el flujo de electrones ocurre a través de moléculas transportadoras. Desde el PSII al PSI y del PSI al NADP+

39. Fase lumínica El agua es absorbida por las raíces y llega a los cloroplastos. Se rompe su molécula enzimáticamente (hidrólisis), dando protones y electrones así como oxígeno molecular que pasa a la atmósfera Esto permite la vida aerobia en la Tierra Los electrones del agua son recogidos por el PSII que al ser excitado los cede a la feofitina y llegan al citocromo b-c 6 que bombea protones al espacio luminal , que junto con los de la lisis del agua, aumenta la acidez del lumen. Se crea un gradiente electroquímico fundamental para la fotofosforilación La ferredoxina puede ceder electrones al NADP+ pero también puede hacerlo al citocromo b-c 6 convirtiéndose en un ciclo En este flujo cíclico , ni se reduce NADP+ ni se rompen moléculas de agua, sólo actúa el PSI. Siguen acumulándose protones así que hará posible la síntesis de ATP

40. Transporte electrónico

41. Fotofosforilación Síntesis de ATP similar a la vista en la mitocondria (con ATP sintetasa). El bombeo de protones crea un gradiente electroquímico que crea una fuerza protomotriz. La síntesis de cada ATP está asociada al flujo de 4 protones Como la energía procede en último término de la luz, se denomina fotofosforilación

42. Fotofosforilación cíclica Transporte cíclico de electrones independiente del PSII

43. El carácter cíclico o no cíclico del transporte de electrones depende de la necesidad de NADPH, glúcidos y ATP extra de la célula En caso de necesidad de ATP los cloroplastos “cierran” el PSI y la energía se emplea en la síntesis de ATP en lugar de producir NADPH

44. Fase oscura En la fase lumínica la energía de la luz se convierte en energía química que se almacena en el NADPH y en el ATP En la fase oscura este ATP se usa para reducir el carbono y sintetizar glúcidos sencillos Las reacciones de esta fase se producen sin necesidad de la luz . Se necesitan NADPH y ATP que se forman en presencia de luz La reducción del carbono ocurre en el estroma del cloroplasto gracias a una serie de reacciones cíclicas que reciben el nombre de ciclo de Calvin

45. Rubisco Ribulosa bisfosfato carboxilasa: Rubisco Enzima más abundante de la naturaleza. Es grande y consta de varias subunidades. Fija 3 moléculas de CO 2 por segundo, frente a las 1000 moléculas por segundo que procesan otras enzimas Por eso debe encontrarse en alta concentración dentro del cloroplasto Alcanza más del 15% de la cantidad de proteínas del cloroplasto

46. Ciclo de Calvin C 3 Compuesto inicial de 5 átomos de C: ribulosa 1,5 bisfosfato El CO 2 se une a la ribulosa1,5 bisfosfato En total son 6 átomos de C que se escinden rápidamente en dos moléculas de 3-fosfoglicerato (PGA) Todo esto ocurre en el estroma y gracias a la Rubisco

47. Ciclo de Calvin C 3 Tras una serie de transformaciones se crea el gliceraldehído 3 fosfato que puede servir para la formación de glucosa o fructosa También pueden entrar en el ciclo de Krebs y producir energía O pueden permanecer en el cloroplasto y servir para la síntesis de otros glúcidos, grasas, aminoácidos y bases nitrogenadas

48. Balance energético de la fase oscura La síntesis de glúcidos, como hemos visto es una actividad costosa Por tanto son necesarias dos vueltas del ciclo para producir un mol de glucosa. La conversión de 6 moléculas de CO 2 en una de azúcar de 6 carbonos y la regeneración de la ribulosa requiere 12 moléculas de NADPH y 18 de ATP Por tanto, la reacción global de la fase oscura es: 6CO2 + 12 NADPH + 12H + 18 ATP 1hexosa + 12 NADP + + 18ADP + 18Pi

49. Fotorrespiración La Rubisco puede actuar también como oxigenasa (además de carboxilasa) cuando la concentración de CO 2 es muy baja y la de oxígeno alta. La Rubisco fija entonces O 2 en la ribulosa (la oxigena) y se rompe en dos moléculas de 3 y de 2 átomos de carbono (no como vimos antes que se rompía en dos moléculas de 3) Al final, la célula desprende CO 2 Se llama fotorrespiración porque ocurre durante el día, cogiendo oxígeno y desprendiendo dióxido de carbono, pero no va acompañado de fosforilación oxidativa así que nada tiene que ver con la respiración mitocondrial

50. Fotorrespiración

51. Vía C 4 Se llaman así porque su primer intermediario es un compuesto de 4 átomos de Carbono (ácido oxalacético) y han desarrollado una innovación evolutiva Las reacciones por las que las plantas fijan el CO2 se llaman ciclo de Hatch-Slack que consiste en la fijación provisional de CO2 en las células del mesófilo para transportarlo luego a las células envolventes donde ocurre la vía C3 La ventaja de este proceso radica en el hecho de que al tener a la RuBisCO encerrada en las células de la vaina se le impide la posibilidad de que reaccione con Oxígeno en situaciones en las cuales la concentración de CO2 sea muy baja, por lo cual el CO2 perdido a través de la fotorespiración se reduce considerablemente Ejemplos: maíz o caña de azúcar

52. Vía para la fijación del carbono en las plantas C4

53. Metabolismo CAM El metabolismo ácido de las Crassulaceae ( CAM ) es un tipo de metabolismo que se da en plantas y que se descubrió en la familia de las Crassulaceae , de ahí su nombre. El nombre de metabolismo ácido hace referencia a la acumulación de ácidos orgánicos durante la noche por las plantas que poseen este mecanismo de fijación de carbono. Esta vía metabólica es semejante a la vía C4, sin embargo en la vía CAM la separación de los dos carboxilaciones no es espacial, como ocurre en las plantas C4, sino temporal. Típica de plantas que viven en ambientes áridos

54. Factores que influyen en al fotosíntesis I

55. Factores que influyen en al fotosíntesis II

56. Factores que influyen en al fotosíntesis III

57. Quimiosíntesis Nutrición autótrofa que no depende de la luz , sino de la energía química que se desprende de una oxidación que realiza el propio organismo tomando como sustratos sustancias inorgánicas como amoniaco, nitritos, sulfuros, ión ferroso… Estos organismos pueden, además asimilar el CO2 como fuente de carbono. Este metabolismo se da exclusivamente en las bacterias Los quimiolitotrofos (usan la energía química como forma de energía para reducir el aceptor de hidrógeno y sintetizar sus propias moléculas), se pueden clasificar según la quimiosíntesis que realizan

58. Quimiosíntesis

59. Quimiosíntesis

60. Gluconeogénesis En lo organismos es imprescindible asegurar los niveles adecuados de glucosa En los heterótrofos la síntesis de glucosa no es posible a partir de moléculas inorgánicas. Es fundamental la Gluconeogénesis porque sintetiza glucosa a partir de: ácido láctico, aminoácidos o algún metabolito del ciclo de Krebs Ocurre en el hígado y en parte en el riñón Hay que destacar que no es exactamente inversa a la glucólisis. Algunos enzimas son glucolíticos y gluconeogénicos pero la Gluconeogénesis posee enzimas específicas

61. Enzimas Gluconeogénicas Fosfoenolpiruvato-carboxiquinasa (PEP-CK). En condiciones de ayuno los niveles de esta enzima aumentan y disminuye en estados ricos en glúcidos Fructosa 1,6 bisfosfatasa . Cataliza la formación de fructosa 6 fosfato a partir de fructosa 1,6 bisfosfato Glucosa 6 fosfatasa . Cataliza glucosa a partir de glucosa 6 fosfato

62. Gluconeogénesis

63. Balance de la gluconeogénesis 2 ácido pirúvico + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H + + 3H 2 O Glucosa + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi + 2 NAD + Esta ruta es ventajosa pues evita, entre otras cosas, una excesiva acumulación de ácido láctico en el músculo cuando hay insuficiente oxigenación, como suele ocurrir en el caso de un gran esfuerzo muscular

64. FIN DE LA PRESENTACIÓN