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METABOLISMO ENERGETICO CELULAR

OBJETIVOS.

Verificar el efecto de la presencia o ausencia de clorofila en la ocurrencia de la

fotosíntesis

Demostrar la presencia de pigmentos fotosintéticamente activos en las hojas de las

plantas.

Observar la presencia de cloroplastos.

INTRODUCCIÓN.

Los seres vivos realizan un conjunto de procesos físicos y químicos, relacionados con las

transformaciones de energía, degradando compuestos y usando esa energía para realizar el

trabajo celular. La suma total de estos eventos se llama Metabolismo que, generalmente se

considera formado por dos grandes conjuntos de procesos, uno de los cuales está constituido

por reacciones de síntesis que requieren energía, denominado Anabolismo; el otro proceso,

consiste en reacciones que degradan moléculas para obtener energía, el Catabolismo.

En las células se realizan muchas actividades químicas, algunas de las cuales requieren energía,

como la reparación y formación de nuevas estructuras y se llaman endergónicos, por el

contrario, hay otros procesos que son espontáneos y liberan energía como es la degradación de

moléculas orgánicas y se consideran exergónicos.

En conclusión, los organismos vivientes requieren energía para realizar todas sus actividades;

esta energía se encuentra disponible en el Universo, ya que de acuerdo al Primer Principio de

la Termodinámica la energía total del universo es constante, no se crea ni se destruye, sólo se

transforma y distribuye.

Existen seres vivos autótrofos, capacitados para obtener algunas de las formas de energía

disponibles en el Universo y transformarla en energía química, útil para el trabajo celular y que

almacenan en moléculas orgánicas; éstas, son utilizadas por otros seres vivos heterótrofos, que

dependen de estas moléculas orgánicas sintetizadas por los primeros.

La obtención de la energía almacenada en los enlaces químicos de estas moléculas orgánicas, se

realiza, preferentemente, por dos mecanismos generales que son:

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a) Transferencia de grupos químicos como el fosforilo, acilo, metilo, etc. Así, una molécula

fosforilada como el adenosíntrifosfato (ATP), posee más energía que otra molécula que

carece de este grupo químico que, al recibirlo, aumenta su potencial energético.

b) Transferencia de electrones, a través de reacciones de óxido-reducción (Redox); en que

la molécula que recibe electrones se reduce y posee más energía y la molécula que cede sus

electrones se oxida, quedando con menor cantidad de energía.

Ya sea la captación de energía del Universo por los organismos autótrofos y su posterior

transformación y almacenamiento en moléculas orgánicas, como el rompimiento o degradación

de estas moléculas, sea por autótrofos o heterótrofos, se realizan a través de una serie de

reacciones químicas catalizadas por enzimas, a través de varias etapas que están acopladas, de

tal manera que son regulables, tanto en su ejecución como en su dirección. Así, encontramos en

ellas reacciones endergónicas, acopladas con reacciones exergónicas, que determinan que una

reacción sea o no reversible, que se transfieran o no Grupos Químicos o que se reduzca u oxide

un compuesto, etc.

Todos estos eventos suceden dentro de la célula en organelos de estructura y funciones bien

específicas, que se describen a continuación, que los hacen entidades altamente eficientes en

la captación, transformación y uso de la energía que hacen posible la vida.

1.1 Cloroplastos.

Los cloroplastos, son organelos citoplasmáticos, exclusivos de organismos fotosintéticos, que

pertenecen a un grupo variado de estos organoides llamados plastidios, entre los cuales

encontramos los amiloplastos (almacenadores de almidón), que se encuentran en órganos de

reserva como el tubérculo de papa, los leucoplastos carentes de pigmentos, que se encuentran

en muchas epidermis y tejidos internos y no son fotosintéticos. Por lo tanto, los plastidios no

solamente son empleados para la realización de la fotosíntesis, sino que además las plantas lo

utilizan como sitio de biosíntesis y almacenamiento de diversas sustancias; así, todos los ácidos

grasos son sintetizados en plastidios (lipidoplastos), lo mismo ocurre con la mayoría de los

aminoácidos (proteinoplastos) y las purinas y pirimidinas. Estos compuestos en células animales

son producidos en el citosol.

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En los cloroplastos se pueden distinguir tres tipos de membranas y tres compartimentos.

Estas son, la membrana externa que es lisa y muy permeable a moléculas como ATP y sacarosa,

la membrana interna que es mucho menos permeable y contiene proteínas transportadoras y las

membranas tilacoidales que forman discos, los cuales se agrupan en las denominadas “granas”,

las cuales están interconectadas por tubos tilacoidales.

En los procariontes los tilacoides se encuentran libres en el citoplasma y presentan tres

modalidades diferentes, según los organismos de que se trate, Se forman por invaginaciones

de la membrana plasmática hacia el interior de la célula, por lo tanto, su cara externa pasa a

formar parte del interior del tilacoide. Así, en bacterias verdes los tilacoides consisten en

vesículas limitadas por membranas de 2 – 3 nm; en bacterias púrpuras, los tilacoides son

invaginaciones de la membrana plasmática que pueden ser tubulares ramificados de 45 nm de

diámetro o vesiculares de 40 – 50 nm de diámetro y finalmente en forma laminar

constituyendo discos apilados separados de la membrana plasmática. En los eucariontes se

encuentran en cloroplastos, organelos celulares de estructura variadas; así, los tilacoides en

las algas difieren tanto en su forma como en su número, independiente en algas rojas, en pares

en diatomeas, fitoflagelados y euglenoides, en forma de copa en Chlamydomonas, y en forma

de cinta en Spirogyra.

Los compartimentos del cloroplasto corresponden a aquel situado entre la membrana interna y

externa, cuya composición es muy semejante al citoplasma circundante llamado cámara externa

o espacio intermembrana. El segundo compartimento, queda al interior de la membrana interna

y se denomina estroma, cuyo contenido y composición es más complejo; en él se encuentra

DNA y ribosomas tipo procarionte, que le otorgan a este organelo cierta autonomía al

sintetizar parte de sus proteínas. Es decir, posee la maquinaria para su replicación y expresión

de su información, además contiene todas las enzimas de la fase oscura de la fotosíntesis y

otros componentes. El tercer compartimento está delimitado por las membranas tilacoidales y

se denomina espacio tilacoidal o lumen.

1.2 El proceso fotosintético.

En la fotosíntesis se pueden distinguir metodológicamente dos fases que se producen en

distintos compartimentos del cloroplasto, una a nivel de membranas, llamadas tilacoides y se

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denomina fase luminosa o fotoquímica, ya que es dependiente de energía luminosa. La otra

fase, independiente de la luz, pero dependiente de la temperatura, se denomina fase oscura o

termoquímica y ocurre en ambientes no membranosos, el estroma.

1.2.1 Fase luminosa.

La Fotosíntesis es un proceso de oxido-reducción de tipo exergónico en que participan un

dador y un aceptor de electrones, cuya reacción más general es la siguiente:

energía lumínica (EL) Sistema fotosintetizador (SF)

Donde H2A corresponde al agente reductor, que puede ser el agua cuando lo realizan algas o

plantas, o bien, reductores de distinta naturaleza cuando lo realizan bacterias

Ej: Plantas 12H2O + 6CO2 EL C6 H12 O6 + 6O2 + 6H2O SF

Bacterias 12H2S + 6CO2 EL C6 H12 O6 + 12S + 6H2O

SF

En la fase luminosa son los pigmentos fotosintéticamente activos los que absorben,

parcialmente, la energía luminosa. Así, los tilacoides presentan dos fotosistemas (conjunto de

pigmentos fotosintéticamente activos), conformados por diferentes clorofilas (a, b, c,

bacterioclorofilas, etc), carotenoides y ficobilinas, según el organismo que se trate, los que

absorben diferentes radiaciones del espectro visible.

De esta manera los fotosistemas actúan como agregados colectores de luz o antenas

constituyendo supuestas unidades fotosintetizadoras o “cuantosomas”, formada por

aproximadamente 200 – 300 moléculas de clorofilas, 50 – 200 moléculas de carotenoides,

proteínas y un centro de reacción con una a dos moléculas de clorofila a P-700 para el

(CH2O) + 2A + H2O 2 H2A + CO2

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Fotosistema I y P-680 para el Fotosistema II ( los valores indicados señalan la máxima

absorción de las clorofilas a en cada fotosistema).

La integración de ambos fotosistemas se conoce como vía Z, que describe la trayectoria de los

electrones desde el H2O hasta el NADP+ (nicotinamida adenina difosfonucleótido oxidado)

desde el fotosistema II al fotosistema I, a través de cadenas transportadoras de electrones

con los cuales se acoplan sistemas de fosforilación.

El Fotosistema II absorbe diferentes radiaciones de la luz blanca, a través del complejo de

pigmentos y proteínas que concentran dicha energía en el centro de reacción P-680 que se

oxida a P-680*, liberando electrones hasta la cadena transportadora de electrones a través de

la plastoquinona que se reduce captando un par de protones (H+), que luego se oxida liberando

los 2H+ al lumen tilacoidal y cediendo sus electrones al complejo citocromo b + citocromo f y

proteínas (FeSR) que se reducen. Este complejo, a su vez, se oxida entregando sus electrones

a la plastocianina (PC), que se reduce. El centro de reacción P-680* oxidado, para reducirse

recupera los electrones cedidos de la molécula de agua, la cual con parte de energía captada

por el fotosistema II, es degradada a 2H+ y ½ 02 (Fotólisis del H2O), liberando un par de

electrones que son cedidos a través de una proteína (D1) que contiene tirosina al P-680 que se

reduce y estabiliza. Por otra parte, el Fotosistema I capta energía concentrándola en su P-

700, que cede sus electrones (y los recupera de la PC reducida que se oxida) a la cadena

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transportadora, a través de la ferredoxina (Fd), que a través de reacciones redox se los cede

a la flavoproteína (Fp) ferredoxina-NADP reductasa que reduce al NADP+ ---- NADPH + H+.

A través de esta transferencia de electrones, desde la fotólisis del H2O hasta la reducción del

NADP+, se produce la transferencia de H+ desde el estroma a la cavidad tilacoidal, los cuales

se emplean para activar una bomba protónica que existe en la membrana tilacoidal que lleva a la

síntesis de ATP. Como se produce una transferencia de electrones del Fotosistema I al II,

sin retorno de electrones, se denomina a esta vía no ciclica y a la producción del ATP como

fotofosforilacion no cíclica. Esto, porque existe, como una segunda alternativa de producción

de ATP cuando se activa solamente el Fotosistema I, cuyos electrones cedidos a la Fd en vez

de continuar hacia la Fp, retorna al complejo cit b + cit f, vía plastoquinona, para finalmente

ser recuperados por el P-700*, que también conduce “H+ a la cavidad tilacoidal para así

producir ATP. Como en este caso los electrones cedidos por el P-700 los recupera, esta vía se

llama ciclica y su producción de ATP, fotofosforilación cíclica. Esta última vía puede funcionar

en forma independiente o acoplada al Fotosistema II.

1.2.2 Fase Ciclo de Calvin.

Este ciclo está metodológicamente compuesto de tres fases: Carboxilación, reducción y

Regeneración. En la carboxilación, el CO2 se icorpora a la Ribulosa 1,5 difosfato, preexistente

en el estroma,, en una reacción catalizada por la enzima RUBISCO (Ribulosa 1,5 difosfato

carboxilasa-oxigenasa), a la forma enediólica de fosfato de ribulosa, formando un beta-

cetoácido inestable que se hidroliza en dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico. La reducción

se produce utilizando el NADPH + H y el ATP generados en la fase clara, reduciendo al ácido

3-fosfoglicérico a gliceraldehído 3-fosfato, a pesar que esta reacción es energéticamente

desfavorable. Esto ocurre porque, previamente el ácido 3-fosfoglicérico es fosforilado en

presencia de ATP y la enzima 3-fosfoglicerato quinasa que remedia esta deficiencia. En la

regeneración, el gliceraldehído 3-fosfato se transforma parcialmente y se equilibra con la

dihidroxiacetona fosfato por acción de la triosa fosfato-isomerasa. Estas dos triosas se

reagrupan para regenerar el aceptor de CO2, la ribulosa 1.5 difosfato y generando azúcares

energéticamente ricos. Así, para producir una hexosa (glucosa), se requieren 6 vueltas del

Ciclo o la fijación de 6 moléculas de CO2... Por cada molécula de CO2 fijado se necesitan 3ATP

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y 2NADPH + H+. Una glucosa requiere 18 ATP (7 Kcal/ATP) y 12 NADPH (52 Kcal/NADPH),

con un gasto de 750 Kcal/mol. A su vez, una glucosa almacena 686 Kcal/mol.; por lo que el

rendimiento de la fase oscura es alrededor del 90%.

Fase oscura de la fotosíntesis.

Reducción del CO2 acoplada a la oxidación del NADPH (Ciclo de Calvin)

Existen plantas que presentan una variante en la fijación del CO2 en la fase oscura, formando

compuestos tetracarbonados (C4), al unir el CO2 a un compuesto tricarbonado, el ácido

fosfoenol pirúvico (PEP). La reacción es mediada por la enzima PEP carboxilasa en las células

del mesófilo, formando un compuesto de 4C (ácido oxaloacético), el cuál es reducido a ácido

málico que, posteriormente, se degrada en la vaina vascular en ácido pirúvico + CO2.. El ácido

pirúvico, posteriormente, se fosforila convirtiéndose en PEP, que vuelve a fijar otra molécula

de CO2. Todo este circuito de reacciones recibe el nombre de Ciclo de Hatch-Sclack. El CO2

desprendido ingresa al Ciclo de Calvin en una segunda fijación de CO2 por la enzima RUBISCO

(Ribulosa 1,5 bifosfato carboxilasa-oxigenasa). Estas plantas se denominan C4 y son de habitats

tropicales o subtropicales, Ejs. Caña de azúcar y Maíz

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Existen otro grupo de plantas, cuyo hábitat son las regiones áridas que también realizan el

Ciclo de Hatch-Slack, pero diferido en el tiempo. Es decir, la primera fijación de CO2 con la

PEP carboxilasa la realizan en la noche, guardando en vacuolas el producto, es decir el ácido

málico o aspártico. Luego, durante el día, durante las horas de luz, realizan la segunda fijación

de CO2 para ingresar el Ciclo de Calvin. Esta doble fijación la realizan, abriendo los estomas en

la noche y cerrándolos durante el día, porque así, además, evitan la pérdida excesiva de agua.

Estas plantas se denominan CAM o MAC (metabolismo ácido crasuláceo), por ser plantas de la

familia de las Crasuláceas donde se detectó por primera vez

Ciclo de Hatch y Sclack

PEP NADPH + H+ CO2 + PEP Acido Oxaloacetico Acido Malico Carboxilasa NADP+ Acido Pirúvico + CO2 Acido Malico

Ciclo de Calvin

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ACTIVIDADES.

Efecto de la presencia o ausencia de clorofila en la ocurrencia de la fotosíntesis.

a) Sumerja la hoja en agua hirviendo por aproximadamente un minuto.

b) Extraiga la clorofila y otros pigmentos transfiriendo la hoja a alcohol etílico de 95%

caliente.

c) Cuando la mayoría de los pigmentos sean extraídos y la hoja adquiera una completa

decoloración, sumérjala en agua por algunos segundos para mantenerla flexible, en una

placa petri. Elimine el agua.

d) La hoja en la placa petri cúbrala con solución de yodo por unos pocos minutos. Elimine el

exceso de solución de yodo y observe si se produce algún cambio de coloración. Anote los

resultados.

Presencia de pigmentos fotosintéticamente activos en las hojas de las plantas.

a) Coloque el extracto alcohólico de pigmentos en un tubo de ensayo, en una cantidad medida

por ejemplo 3ml. Luego agregue unos 5ml de bencina blanca.

b) Observe la separación de 2 capas.

c) Ubique los pigmentos separados.

d) Explique los resultados.

Preparación: Propósito: Descripción:

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Cloroplastos.

a) Cada grupo deberá disponer de una planta acuática, tipo Elodea, que posea hojas laminares

trasparentes, mantenida en su ambiente habitual.

b) Extraiga una de las hojas laminares de la planta y colóquela en un porta objeto, agregándole

1 ó 2 gotas de su ambiente natural (agua). Cubra con un cubre objeto y observe con

objetivo 10x. Realice el esquema correspondiente, indicando la posición de los cloroplastos.

Preparación: Propósito: Tinción: Aumento: Descripción: