El documento describe el flujo de energía a través de los organismos vivos, desde la luz solar que es capturada por las plantas mediante la fotosíntesis, hasta su almacenamiento y uso en las células a través de moléculas como el ATP. Explica los conceptos de termodinámica y cómo la energía se transforma pero no se crea ni destruye. Describe los procesos de glucólisis y respiración celular, así como los roles de la clorofila, membranas tilacoide y fotosistemas en la captura

1. EL FLUJO DE ENERGÍA

2. La luz solar, fuente primaria de energía, es transformada en energía química por las plantas. No toda esa energía captada por las plantas llega hasta los últimos eslabones de la cadena alimenticia, una parte de la energía se pierde a cada paso o transformación en el ambiente. Esto significa que la energía potencial contenida por las substancias reaccionantes será mayor a la energía potencial contenida en los productos de una reacción.

3. Termodinámica, ciencia que analiza las transformaciones de energía, y la formulación de sus leyes. Primera ley, la energía puede convertirse de una forma en otra, pero no puede ser creada ni destruida. La energía puede almacenarse en varias formas y luego transformarse en otras. El trabajo puede transformarse en calor sin restricciones, pero el calor no puede transformarse en trabajo sin restricciones. Se basa en la entropía, es una medida del grado de desorden o grado de aleatoriedad de un sistema.

4. El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones bioquímicas que ocurren en una célula. Catabolismo reacciones de ruptura de una molécula, proporcionan energía Anabolismo reacciones de formación de nuevos compuestos requieren de energía

5. La energía que la célula utiliza está contenida en ATP (Adenosin Tri-fosfato) formadas por una base nitrogenada: adenina, el azúcar de 5 carbonos ribosa y por tres grupos fosfato, y es justamente en los enlaces químicos de los fosfatos en donde se almacena la energía. Cuando la célula requiere de energía para la biosíntesis de nuevas sustancias (anabolismo), recurre a la fuente de energía más accesible que es el ATP, transformándolo en ADP (adenosin di-fosfato), es decir rompiendo un enlace fosfato.

6. Acción enzimática y ATP Todas las reacciones bioquímicas que se producen en un ser vivo necesitan de una sustancia que actúa como catalizador, éstas sustancias son las enzimas, que actúan disminuyendo la cantidad de energía necesaria para activar una reacción y aumentando su velocidad.

7. Las enzimas son moléculas proteicas globulares de gran tamaño y con alta especificidad frente a las sustancias con las que reaccionan. Por ejemplo, no cualquier enzima puede actuar sobre una substancia como el almidón, la enzima específica es la amilasa

8. La parte esencial de las enzimas es su sitio activo, en donde la sustancia sobre la cual va a ejercer su acción la enzima se ajusta con precisión. Además existen sustancias que asociadas a las enzimas contribuyen para catalizar una reacción, estas sustancias se denominan cofactores.

9. Existen algunos factores que pueden modificar la velocidad de una reacción enzimática como las concentraciones de enzima, del substrato y la disponibilidad de los factores, además de otras circunstancias como el pH y la temperatura.

10. CICLO DE ENERGIA

11. GLUCÓLISIS Y RESPIRACIÓN

12. La glucosa y los azúcares en general son la fuente de reserva de energía más importante para la célula, aunque estos no son de fácil acceso como el ATP. De su oxidación (pérdida de e) se obtiene la mayoría de la energía requerida para el mantenimiento de las funciones celulares.

13. Aproximadamente el 40% de la energía liberada en la oxidación de la glucosa es conservada en la conversión de ADP a ATP, fácil para los procesos metabólicos.

14. La primera fase en la degradación de la glucosa es la glucólisis , se da en el citoplasma, en la que la molécula de glucosa original con seis carbonos pasa a formar dos moléculas de ácido pirúvico, con tres carbonos cada una. La segunda fase conocida como la respiración , se da en la mitocondria, es un proceso que necesita de oxígeno (O2), se desarrolla en dos etapas el ciclo de Krebs y el transporte de electrones . En este proceso las moléculas de tres carbonos de ácido pirúvico pasan a moléculas de dos carbonos e ingresan en el ciclo de Krebs en donde se oxidan completamente hasta formar dióxido de carbono

15. La etapa final de este ciclo implica una cadena de transportadores de electrones y enzimas que logra capturar la energía química contenida en los enlaces de la glucosa. Aprox el 95% del ATP es generado en las mitocondrias. Como un balance total del ciclo de descomposición de una molécula de glucosa se pueden obtener 38 moléculas de ATP, representando este dato el total de energía de este ciclo catabólico.

16. Diferencias entre ATP, NADH y FADH (NAD y FAD coenzimas) ATP: Suelta los grupos fosfato por hidrólisis (libera energía) e igual se une (absorbe energía) con grupos fosfato por síntesis y estos procesos generan energía. NADH: libera H y se une a H. Cuando libera H se libera tanta energía dentro de la mitocondria que le sirve para formar 3 moléculas de ATP, ya que la molécula de ADP utiliza esa energía para unir los grupos fosfato sueltos en la matriz mitocondrial FADH: libera H y se une a H. A diferencia de la NADH esta vitamina genera energía solamente para formar 2 moléculas de ATP, esto porque solo puede actuar después de formada la FMN

17. FOTOSINTESIS, LUZ Y VIDA

18. El primer organismo fotosintético surgió hace 3.000 o 3.500 millones de años. La energía provenía probablemente de la glucólisis y fermentación, causando acumulación de CO 2

19. NATURALEZA DE LA LUZ Isaac Newton (1642-1727) con un prisma disperso la luz: la luz blanca compuesta de: violeta (longitud de onda de 380 nm), anaranjado, verde, amarillo, naranja, rojo (750 nm) Longitud de onda: distancia de la cresta de una onda a otra MODELO ONDULATORIO la luz viaja como ondas

20. Efecto fotoeléctrico: la energía lumínica desaloja electrones expulsándolos de los átomos de un metal. El que la luz pueda eyectar o no los electrones de un metal determinado no depende de la intensidad de la luz, sino de su longitud de onda. El aumento del brillo de la luz provoca un incremento del número de electrones desalojados de un metal, pero no afecta la velocidad a la cual son emitidos, se necesitaría una longitud de onda más corta

21. CLOROFILA Y OTROS PIGMENTOS Pigmento: cualquier sustancia que absorbe luz. Algunos pigmentos aborben luz de todos los colores = negros. Otros absorben ciertas longitudes de onda, y reflejan las que no absorben. La clorofila (verdes) absorbe luz en longitudes de onda violeta y azul y rojo, refleja el verde y por eso parece verde

22. Espectro de absorción de una sustancia: es el patrón de absorción de un pigmento. Diferentes pigmentos absorben energía lumínica a diferentes longitudes de onda.

23. TIPOS DE CLOROFILA Varían en su estructura molecular: (fig 9-4) Clorofila a: involucrada directamente en la transformación de la energía lumínica en química. Clorofila b: filtro de la a Carotenoides: beta caroteno. Rojos, anaranjados o amarillos Las otras clorofilas y carotenoides absorben longitudes de luz diferentes de la clorofila a. Actúan como pantallas que transfieren la energía a la clorofila a

24. Cuando un pigmento absorbe un fotón un electrón de la molécula de pigmento es lanzado a un nivel energético más alto, excitado. Se mantiene por una millonésima de segundo. La pérdida de energía de excitación puede causar: La energía puede disiparse como calor Puede reemitirse como energía lumínica de mayor longitud de onda, fluorescencia Puede provocar una reacción química, fotosíntesis. Esta depende de la estructura del pigmento y de las moléculas vecinas

25. La clorofila puede convertir energía lumínica en química solamente cuando esta asociada con ciertas proteínas e incluida en una membrana especializada Espectro de acción: fotosíntesis total efectuada por una hoja bajo diferentes long de onda

26. Para saber que hay relación entre la fotosíntesis y los pigmentos hay que tener presente que hay una cierta correspondencia entre el espectro de absorción de las clorofilas a y b con el de acción de la fotosíntesis: se observa que hay dos picos uno en el rojo y otro en el azul

28. LAS MEMBRANAS FOTOSINTÉTICAS: EL TILACOIDE Cloroplasto-tilacoides, membranas internas con pigmentos fotosintéticos. Forma de saco aplanado (fig 9-8) Número de cloroplastos variable por célula: alga Chlamydomonas 1, la célula de cualquier hoja 40 a 50. Hay 500.000 cloroplastos por mm 2 Procariotas carecen de cloroplastos y los tilacoides son quienes forman parte de la membrana celular.

29. Estructura del cloroplasto Rodeado por dos membranas separadas por un espacio intermembranoso. Membrana interna es lisa. Tilacoides son tercera membrana. Estroma rodeando los tilacoides y llenando el interior del cloroplasto. Los tilacoides tienen un compartimiento adicional, espacio tilacoide. Grana, pilas de tilacoides. Orientados entre si.

30. Diferencias cloroplasto-mitocondria Cloroplasto 3 sistemas de membrana (externa, interna y tilacoide) 3 compartimientos (espacio intermembranoso, estroma y espacio tilacoide) Mitocondria 2 sistemas de membrana (interna y externa) 2 compartimientos (espacio intermembranoso y matriz)

31. Las etapas de la Fotosíntesis 1 Etapa de reacciones lumínicas, dependientes de la luz e independientes de la temperatura. Un incremento de luz y temperatura aumenta la tasa de fotosíntesis. 30°C 2 Etapa de reacciones oscuras, etapa enzimática, dependiente de la temperatura; independiente de la luz, estas se pueden dar también en presencia de luz

32. FASES DE LA FOTOSINTESIS La velocidad de la primera etapa, llamada reacción lumínica, aumenta con la intensidad luminosa (dentro de ciertos límites), pero no con la temperatura. En la segunda etapa, llamada reacción en la oscuridad, la velocidad aumenta con la temperatura (dentro de ciertos límites), pero no con la intensidad luminosa.

33. En la primera etapa, la luz es absorbida por las moléculas de clorofila a, en membranas de tilacoide, sus electrones lanzados a niveles energéticos superiores y se forma ATP y se reduce una molécula transportadora de electrones, NADP y se reduce a NADPH. Este proporciona energía directamente a los procesos biosintéticos que requieren gran ingreso de energía. Se escinden moléculas de agua formando oxígeno libre. Este proceso suministra electrones que reemplazan a los lanzados desde la clorofila a.

34. En la segunda etapa, el ATP y NADPH son utilizados para reducir el carbono del dióxido de carbono a un azúcar simple. Así la energía química almacenada temporalmente en el ATP y NADPH se transfiere a moléculas adecuadas para el transporte y almacenamiento de energía en el cuerpo de las plantas. Resultado, formación de un esqueleto de carbono. La incorporación inicial de CO2, fijación del carbono, ocurre en el estroma del cloroplasto.

35. FASES DE LA FOTOSINTESIS

36. REACCIONES QUE CAPTURAN ENERGIA La primera etapa de la fotosíntesis es la absorción de luz por los pigmentos. La clorofila a es el más importante de éstos, y es esencial para el proceso. Captura la luz de las regiones violeta y roja del espectro y la transforma en energía química mediante una serie de reacciones. Los distintos tipos de clorofila y otros pigmentos, llamados carotenoides y ficobilinas, absorben longitudes de onda luminosas algo distintas y transfieren la energía a la clorofila A, que termina el proceso de transformación. Estos pigmentos accesorios amplían el espectro de energía luminosa que aprovecha la fotosíntesis.

37. La fotosíntesis tiene lugar dentro de las células, en orgánulos llamados cloroplastos que contienen las clorofilas y otros compuestos, en especial enzimas, necesarios para realizar las distintas reacciones. Estos compuestos están organizados en unidades de cloroplastos llamadas Tilacoides ; en el interior de éstos, los pigmentos se disponen en subunidades llamadas fotosistemas. Cuando los pigmentos absorben luz, sus electrones ocupan niveles energéticos más altos, y transfieren la energía a un tipo especial de clorofila llamado centro de reacción.

38. FOTOSISTEMAS Existen dos tipos de fotosistemas: El fotosistema I (FSI), está asociado a la molécula reactiva de clorofila a que absorben a longitudes de ondas largas (700 nm) y se conoce como P700 (P, pigmento). Cuando el P700 se oxida se blanquea El fotosistema II (FSII), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a 680 nm. por eso se denomina P680.

39. Reacciones que atrapan luz La energía lumínica entra en el fotosistema II donde es atrapada por la P680, un electrón de esta es lanzado a un nivel energético más alto, desde el cual es transferido a una molécula aceptora de electrones primaria. El electrón cedido pasa luego cuesta abajo, al fotosistema I a lo largo de una cadena transportadora de electrones. A medida que los electrones pasan a lo largo de estas cadenas transportadoras se establece, un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide, la energía de este gradiente se usa para formar ATP, en un proceso quimiosmótico (fotofosforilación)

40. Otros hechos: 1 La P680 al perder su electrón, atrae ávidamente un electrón reemplazante. Lo encuentra en la molécula de agua, la cual, mientras está unida a una molécula que contiene manganeso, es capaz de cederlo y luego se escinde en protones y gas oxígeno. Se atrapa energía lumínica adicional en la P700 del fotosistema I. Esta molécula se oxida y el electrón es lanzado a un aceptor de electrones primario, desde el cual viaja cuesta abajo hasta el NADP+ El electrón eliminado de la P700 del fotosistema I es reemplazado por el electrón proveniente del aceptor de electrones primario del fotosistema II que se desplazó cuesta abajo

41. Así en las reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz hay un flujo continuo de electrones desde el agua al fotosistema II, de éste al fotosistema I y a través del fotosistema I al NADP+ Para generar una molécula de NADPH deben absorberse 4 fotones, 2 el fotosistema II y 2 el fotosistema I

42. FOTOSISTEMAS

43. FOTOSISTEMA I La luz produce el mismo efecto sobre la clorofila P700, de modo que algún electrón adquiere un nivel energético superior y abandona la molécula, es recogido por otro aceptor de electrones , la ferredoxina y pasa por una nueva cadena de transporte hasta llegar a una molécula de NADP+ que es reducida a NADPH, al recibir dos electrones y un protón H+ que también procede de la descomposición del H2O.

44. FOTOSISTEMA II Se reduce al recibir electrones procedentes de una molécula de H 2 O, que también por acción de la luz, se descompone en hidrógeno y oxígeno, en el proceso llamado fotólisis del H 2 O. De este modo se puede mantener un flujo continuo de electrones desde el agua hacia el fotosistema II y de éste al fotosistema I.

45. Los dos fotosistemas pueden actuar conjuntamente - proceso conocido como esquema en Z , para producir la fotofosforilación (obtención de ATP) o hacerlo solamente el fotosistema I; se diferencia entonces entre fosforilación no cíclica o acíclica cuando actúan los dos, y fotofosforilación cíclica , cuando actúa el fotosistema I unicamente. En la fotofosforilación acíclica se obtiene ATP y se reduce el NADP+ a NADPH , mientras que en la foto fosforilación cíclica únicamente se obtiene ATP y no se libera oxígeno .

46. EL CICLO DEL CARBONO EN LA FOTOSINTESIS En las reacciones de fijación del carbono que ocurre en el estroma, el NADPH y el ATP, producidos en las reacciones de captura de energía, se usan para reducir un compuesto de tres carbonos, el gliceraldehido fosfato. Esto se lleva a cabo por medio del ciclo de Calvin. En el, la enzima RuDP carboxilasa combina una molécula de dióxido de carbono con el material de partida, un azúcar de C5 llamados ribulosa difosfato.

47. Por cada vuelta del ciclo, entra en el un átomo de carbono. Tres vueltas del ciclo producen una molécula de C3, el gliceraldehído fosfato. Dos moléculas de gliceraldehído fosfato (6 vueltas del ciclo) puedan combinarse para formar una molécula de glucosa. En cada vuelta del ciclo se regenera el RuDP. El gliceraldehído fosfato también puede ser utilizado como material de partida para otros compuestos orgánicos necesarios para la célula.

48. IMPORTANCIA BIOLOGICA DE LA FOTOSINTESIS La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la Biosfera por varios motivos: La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos.