XI Biología. 2º Bachillerato. IES SANTA CLARA.
¨ Belén Ruiz ¨ Departamento Biología- Geología.
¨ https://biologiageologiaiessantaclarabelenruiz.wordpress.com/2o-bachillerato/2o-biologiaI ¨ IES Santa Clara
TEMA 11. METABOLISMO CELULAR: ANABOLISMO II
LA FOTOSÍNTESIS § INTRODUCCIÓN
PROCESO GENERAL : 6 CO2 + 12 H2O ⎯⎯→ C6H12O6 + 6 O2 +
6 H2O
§ ETAPAS:
§ FASE LUMINOSA ⇒ síntesis de ATP y NADPH
§ FASE OSCURA ⇒ Fijación de CO2 y síntesis orgánica:
§ Consumo de los productos de la fase lumínica (ATP y NADPH)
PIGMENTOS: § Clorofilas (verdes)
– a y b (vegetales y cianobacterias) – c y d (algas) – Bacterioclorofila (bacterias fotosintéticas),
§ Carotenoides (vegetales, algas y cianobacterias) – Carotenos (marrones y anaranjados) – Xantofilas (amarillos)
§ Ficobilinas (algas y cianobacterias)
– Ficocianinas (azules) – Ficoeritrinas ( rojos)
FASE LUMINOSA ⇒ síntesis de ATP y NADPH
CLOROFILAS
CAROTENOIDES
Xantofilas
Carotenos
Ficobilinas
Ficoeritrina
Ficocianina
Cromatografía
PIGMENTOS: § ESPECTRO ÚTIL (visible 400- 700 nm)
UNIDADES FUNCIONALES: § LOS FOTOSISTEMAS:
– CCL (c.antena) + Centro de reacción (Clor. a, dador y aceptor) – Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)
1. CCL: Centro colector de luz. Diferentes pigmentos: clorofilas, carotenos,…
2. Centro de reacción: 3. Dímero de clorofila A 4. Dador de electrones 5. Aceptor de electrones
6. Membrana de un tilacoide
UNIDADES FUNCIONALES: § LOS FOTOSISTEMAS: (PSI y PSII)
– Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)
FASE LUMINOSA ⇒ síntesis de ATP y NADPH § PIGMENTOS: clorofilas a y b (vegetales y cianobacterias) c y
d (algas) bacterioclorofila (bacterias fotosintéticas), carotenoides y ficobilinas (algas)
§ ESPECTRO ÚTIL (visible 400- 700 nm)
§ FUNDAMENTO: resonancia, excitación electrónica y transporte redox de e-
§ UNIDADES FUNCIONALES: § LOS FOTOSISTEMAS:
§ CCL (c.antena) + Centro de reacción (Clor. a, dador y aceptor)
§ Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)
§ ATPasa
§ TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS
FASE LUMINOSA ⇒ síntesis de ATP y NADPH – FUNDAMENTOS:
v Fluorescencia: No se da en la fotosíntesis
El electrón excitado vuelve al orbital original y pierde la energía absorbida en forma de luz y calor
FUNDAMENTOS: § Resonancia
La energía pasa por resonancia de unos pigmentos a otros hasta el centro de reacción
FUNDAMENTOS:
§ Excitación electrónica
UNIDADES FUNCIONALES: § ATPasa
§ TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS
Estroma
Espacio intra8lacoidal
FUNDAMENTOS: • Transporte de e- (cadena redox)
Transporte electrónico dependiente de la luz
• La energía de los fotones activa o impulsa electrones de la molécula de clorofila del centro de reacción de niveles energéticos bajos a niveles muy altos. Cuando los electrones adquieren un nivel energético alto tienden a saltar de la clorofila a moléculas aceptoras.
• Fotosistema es el conjunto de la clorofila asociada a las moléculas aceptoras de los electrones que ella cede. En los fotosistemas es donde ocurren los procesos químicos dependientes de la luz.
• Hay dos fotosistemas: I o P700 y II o P680 según la longitud de onda de la luz a que son sensibles.
• A su vez el fotosistema II recibe electrones del agua que es el donador electrónico, en un proceso denominado fotólisis del agua, que libera oxígeno molecular.
• Los electrones cedidos fluyen por unas cadenas transportadoras de electrones hasta un aceptor electrónico final y desde aquí serán transportados hasta la fase oscura o Ciclo de Calvin.
FLUJO “NO” CÍCLICO de e-‐
(Fotofosforilación acíclica)
Esquema en Z: Ø Genera ATP y NADPH Ø Fotolísis del H2O ⇒ O2 atmosférico
FLUJO “NO” CÍCLICO de e-‐
(Fotofosforilación acíclica)
FLUJO CÍCLICO de e-‐
(Fotofosforilación cíclica)
Esquema en D: Ø Genera solamente ATP:
§ Existe mayor requerimiento Ø Anoxigénica
Síntesis de ATP o fotofosforilación
La energía que van perdiendo los electrones al
descender o fluir por la cadena transportadora sirve
para bombear protones (H+) desde el estroma hacia
el espacio interior del tilacoide; así se forma un
gradiente electroquímico entre ambos lados de la
membrana tilacoidal. El paso de H+ a través de las
ATPasas situadas en la membrana produce la
fosforilación del ADP y su transformación en ATP.
La Hipótesis quimiosmótica de Mitchell
FASE OSCURA ⇒ Fijación de CO2 y síntesis orgánica – Consumo de los productos de la fase luminica (ATP y NADPH)
FASES: – 1 . - F i j a c i ó n o
Carboxilación – 2.- Reducción:
§ Ácido a aldehído – 3.- Regeneración:
§ Compleja vía de las pentosas que r e g e n e r a l a Ribulosa 1,5 diP
F. Fijación
F. Regeneración
F. Reducción
1. Fijación del carbono: se incorpora el átomo de carbono procedente
del CO2 en la pentosa ribulosa-1,5-difosfato formándose 2 moléculas
de 3-fosfoglicerato, estando la reacción catalizada por la enzima
ribulosa-1,5-difosfato-carboxilasa o rubisco.
2. Reducción del átomo de carbono procedente del CO2: en dos
reacciones consecutivas fosforilación primero y reducción después.
Estas reacciones requieren ATP y NADPH respectivamente. 3-fosfoglicerato ð 1,3-difosfdoglicerato ð gliceraldehído-3-fosfato
3. Regeneración de la ribulosa-1,5-difosfato: para que el ciclo pueda
seguir funcionando y continúe la fijación del CO2 es preciso regenerar
la ribulosa-1,5-difosfato, lo que se consigue tras una serie de
reacciones que reorganizan la molécula catalizadas por la
fosforribuloquinasa.
Estequiometría del ciclo de Calvin
En cada paso de vuelta del Ciclo de Calvin se fija 1 átomo de carbono.
Para incorporar 6 moléculas de CO2 o lo que es lo mismo una molécula
de hexosa necesita cubrir 6 ciclos completos. El balance será el
siguiente:
- 6 moléculas de ribulosa-1,5-difosfato, que generarán 12
moléculas de 3-fosfoglicerato.
- 12 moléculas de NADPH
- 12 + 6 moléculas de ATP
Por tanto para obtener 1 molécula de hexosa a partir de CO2 los
organismos fotosintéticos consumen 12 moléculas de NADPH y 18
moléculas de ATP.
Proceso general, fase luminosa: 12 H2O + 18 ADP + 18Pi + 12 NADP + → 18 ATP + 12 NADPH + 12 H + + 6O2
Proceso general, fase oscura: 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH +12 H+ + 6 H2O → HEXOSA + 12 H2O +18 ADP + 18Pi +12 NADP+
Sumemos ambos procesos:
Proceso global: 6 CO2 + 12 H2O → HEXOSA (C6H12O6) + 6O2 + 6 H2O
Proceso global simplificado: 6 CO2 + 6 H2O → HEXOSA (C6H12O6) + 6O2
LA FOTOSÍNTESIS
ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS
§ 1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica (Ej.actual: sulfobacterias fotosíntéticas verdes)
§ 2º FOTOSISTEMA II ⇒ Fotosintesis oxigénica (Ej. cianobacterias y plantas superiores): – Implicaciones:
• Atmósfera oxidante (O2) ⇒ aparición y expansión de los aerobios
• Capa de ozono: O2 + O2 O3 + ½ O2
⇒ protección (aspectos evolutivos)
• Aparición de los PRODUCTORES (autótrofos), base de las cadenas y redes tróficas (aspectos ecológicos)
ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS
1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales (Con bacterioclorofila):
– Sulfobacterias fotosíntéticas verdes – Sulfobacterias fotosíntéticas púrpuras – Bacterias No sulfureas fotosíntéticas verdes – Bacterias No sulfureas fotosíntéticas púrpuras
ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS
1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales: § Bacterias No sulfureas fotosíntéticas púrpuras
ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS
1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales: – Sulfobacterias fotosíntéticas verdes
LA QUIMIOSÍNTESIS
• Concepto: Energía a partir de la oxidación de compuestos INORGÁNICOS normalmente por fosforilación oxidativa y síntesis orgánica ⇒ Autótrofos no fotosintéticos.
• Fases: – 1ºSust. inorgánica A Sust. Inorgánica B + ATP (por
fosforilación oxidativa) • Aceptor final: normalmente, O2 ⇒ tipo especial de respiración
aerobia • NADH por flujo inverso de e- con gasto de ATP
– 2º Biosíntesis orgánica (c. Calvín o c. Krebs inverso)
oxidación
1ºSust. inorgánica A Sust. Inorgánica B + ATP (por fosforilación oxidativa) § Aceptor final: normalmente, O2 ⇒ tipo especial de
respiración aerobia
Ej. NO2- + 2H+
NO3
- ½ O2
Cadena de transporte Electrónico (redox)
LA QUIMIOSÍNTESIS
H2O
oxidación
ATP
1ºSust. inorgánica A Sust. Inorgánica B + ATP NADH por flujo inverso de e- con consumo de parte del ATP sintetizado.
NAD+ NADH + H+
NO3 -‐
Cadena de transporte Electrónico (redox)
LA QUIMIOSÍNTESIS
NO2-‐
oxidación
Consumo de ATP
LA QUIMIOSÍNTESIS
LA QUIMIOSÍNTESIS
Grupos de organismos quimiosintéticos: § Organismos: Todos son bacterias
§ Todos quimiolitotróficos ⇒ (QUIMIOAUTÓTROFOS) § Transformadores ⇒ cierran los ciclos biogeoquímicos
LA QUIMIOSÍNTESIS
Grupos de organismos quimiosintéticos:
A) B. Nitrificantes: ej. NH3 NO2 NO3
- Importantes en el ciclo del nitrógeno
B) B. Del hierro:
Fe+2 Fe+3 ej. Ferrobacillus C) B. Incoloras del azufre:
H2S S H2SO4 D) B. del Hidrógeno y del Metano:
H2 H2O
CH4 CO2 + H2O Algunas c y d de las dorsales oceánicas: Productores ⇒ Ecosistemas independientes del sol
Nitrosomomas: Nitrobacter
LA QUIMIOSÍNTESIS
Grupos de organismos quimiosintéticos:
• A) B. Nitrificantes:
– ej. NH3 NO2 - NO3
- » Importantes en el ciclo del nitrógeno
Nitrosomomas Nitrobacter
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2H+ + H2O
NO2
- + ½ O2 NO3-
NH4+ + NO2
- N2 + 2 H2O (X) (X) En este caso el aceptor final no es el O2, sino el NO2
-
Nitrosomomas:
Nitrobacter:
Bacterias anammox:
Aceptor final de
electrones (diferente al O2 )
LA QUIMIOSÍNTESIS
• Grupos de organismos quimiosintéticos: • A) B. Nitrificantes:
– ej. NH3 NO2 - NO3
- » Importantes en el ciclo del nitrógeno
• Ej.
Nitrosomomas Nitrobacter
NO2- + ½ O2 NO3
-
LA QUIMIOSÍNTESIS
LA QUIMIOSÍNTESIS
B) B. Del hierro:
– Fe+2 Fe+3 ej. Ferrobacillus
Fe2+ + 2H+ + ½ O2 Fe3+ + H2O
LA QUIMIOSÍNTESIS
Grupos de organismos quimiosintéticos: C) B. Incoloras del azufre:
H2S S H2SO4
H2S + ½ O2 S + H2O S + 2O2 SO4
2-
n Algunas c y d de las dorsales oceánicas:
n Productores ⇒ Ecosistemas independientes del sol
LA QUIMIOSÍNTESIS
Grupos de organismos quimiosintéticos: • D) B. del Hidrógeno y del Metano:
– H2 H2O H2 + ½ O2 H2O ej. Pseudomonas 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O bact. Metanógenas – CH4 CO2 + H2O CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O bact. Metanotrofas
» Algunas c y d de las dorsales oceánicas: Productores ⇒ Ecosistemas independientes del sol Aceptor final
de electrones (diferente al O2 )
Comparación Fotosíntesis y Quimiosíntesis
OTROS PROCESOS ANABÓLICOS
Cetogénesis
Gluconeoneogénesis
Ruta catabólica
Phe
Tyr
Trp
Ser
Gly
Cys
Asp Met
Lis
Ileu
piruvato
Acetil CoA
Ala
Val Leu
Funarato
Ácidos grasos
Pro y Arg
Otras rutas anabólicas
ESQUEMA GENERAL DEL METABOLISMO
TEST DE REPASO
TEMA 8B
Comenta la importancia de la fotosíntesis en la Biosfera q Consolidación de los Productores q Aparición de l oxígeno:
o ⇒ veneno + diversificación de los aerobios o ⇒ Capa de Ozono: Protección y evolución de o. superiores terrestres.
Define en pocas palabras las analogías y diferencias entre fotosíntesis y quimiosíntesis . q Analogías:
o C. de Calvin (Fase biosintética) q Diferencias:
o Obtención de energía y poder reductor: (Fase oxidativa) Ø Fotosíntesis:
§ E. luminosa: NADPH y (fotofosforilación) ⇒ ATP Ø Quimiosíntesis:
§ Oxidación s. inorgánicas (fosforilación oxidativa) ⇒ ATP . § Flujo inverso de e- ⇒ NADH
¿Qué papel juegan el ATP y el NADPH en la fotosíntesis? ¿En qué etapa de la misma se sintetizan y consumen respectivamente?
q a) Energía y poder reductor para la biosíntesis orgánica q b) F. Luminosa (producción) y F. oscura (consumo para biosíntesis)
Describe, a partir de una representación gráfica, el proceso de fotofosforilación acíclica . Indica como se reciclan los coenzimas obtenidos en dicho proceso .
Se recilan oxidándose en el ciclo de Calvin
¿A qué se debe el hecho de que las plantas superiores necesiten dos tipos de fotofosforilación , la cíclica y la acíclica? Ayúdate de una representación grafica. La fotofosforilación acíclica o esquema en Z produce 1 ATP y un NADPH por ciclo, sin embargo los requerimientos de ATP y NADPH en el ciclo de Calvin son diferentes; se necesitan 12 NADPH y 18 ATP para la síntesis de una glucosa. El aporte extra de ATP lo proporciona la fotofosforilación cíclica o esquema en D, ya que solo genera ATP , no necesitando la foltolisis del agua por lo que es anoxigénica
F. Fijación
F. Regeneración
F. Reducción
Describe las etapas del ciclo de Calvin, indicando los procesos que nos permitan la síntesis de una molécula de glucosa. Indica que enzima permite el proceso inicial de fijación del CO2. Enzima Rubisco: (Ribulosa 1-5 difosfato-carboxilasa-oxigenasa)
Define anabolismo: cita un proceso anabólico que tenga lugar en una célula animal y otra vegetal . q Parte del metabolismo que incluye el conjunto de procesos químicos de 6po reductor, divergente y endergónico que permiten a las células sinte6zar moléculas orgánicas complejas a par6r de moléculas más simples. q Animal: Glucogenogénesis, GLUCONEOGÉNESIS, traducción …
Vegetal: Fotosíntesis, sint de almidón, … Concepto de quimiosíntesis y principales diferencias respecto a la fotosíntesis y fermentación. a) Procesos biosintericos (anabólicos) en los que los organismos implicados ob6enen la energía y el poder reductor necesarios para síntesis orgánica, a par6r de la oxidación de sustancias inorgánicas sencillas a par6r de mecanismos basados en la fosforilación oxida6va. b) Quimiosíntesis: 1º Fase oxida6va
a) ATP x oxidación de s. inorgánica (fosforilación oxida6va) b) NADH: flujo inverso de e-‐
2º Síntesis orgánica (P. anabólico, reductora) Fotosíntesis: 1º F. luminosa:
a) ATP x fotofosforilación b) NADPH x fotolisis o flujo inverso (bacterias no cianoficeas)
2º síntesis orgánica (P. anabólico) Fermentación: (P: catabólico)
1º ATP x oxidación parcial de s. orgánica (fosforilación a n. de sustrato) 2º reciclado de coenzimas (NADH → NAD+ ) : fase reductora
Cita un proceso biológico que consuma ATP. Indica en qué lugar de la célula se sinteDza el ATP ¿cuál es el mecanismo de su síntesis? ¿de dónde proceden los electrones que permiten su síntesis? Razona la respuesta. q C. de Calvin q Cloroplastos:
q Fotofosforilación: q Electrones de:
q fotolisis del H2O q Los centros de reacción (P680 y P700)
q Citosol : q Fosf. a nivel de sustrado q Electrones de la oxidación de moléculas orgánicas directamente (los ceden al coenzima NAD+
q Mitocondrias : q Fosforilación oxida6va y a nivel de sustrato (GTP). q Electrones de la oxidación de moléculas orgánicas directamente o indirectamente (los ceden a los coenzimas NAD+ y FAD).
A partir de la ecuación general de la fotosíntesis, indica el destino teórico de los distintos átomos que forman parte de las reactivos iniciales.
6 CO2 + 12 H2O → HEXOSA (C6H12O6) + 6O2 + 6 H2O
El principio de la termodinámica que dice que la energía no se crea ni se destruye sino que se transforma se aplica también a los seres vivos, pues estos son activos intercambiadores de materia y energía con el entorno. ¿En qué forma puede captar energía una célula y en qué la transforma mediante: a) la fotosíntesis y b) la respiración celular? ¿Para qué utiliza la célula esta energía así obtenida en ambos casos? Razona la respuesta. a) E. luminosa⇒ E. química (ATP(fotofosforilación), NADPH) para la biosintesis b) E. química (¿protónmotriz?) ⇒ E. química (oxidación de MO): ATP (Fosforilación oxidativa y a n. de S )+ E. calorífica
1. Biosíntesis 2. Contracción (movimiento) o 3. Mantenimiento de gradientes (membranas)
Aunque los aminoácidos de la dieta deberían ser utilizados por el organismo para la formación de proteínas no siempre ocurre así y en muchos casos pueden ser catabolizados. ¿Qué beneficio puede obtener el organismo de la oxidación de un aminoácido? ¿qué productos de desecho se generarían tras la degradación total de los aminoácidos en condiciones aeróbicas? Razona la respuesta: Beneficio: energía ante carencia de nutrientes energéticos por degradación total hasta CO2 y H2O o por síntesis de glucosa o ácidos grasos (aa glucogénicos y cetogénicos). Productos: NH3 (x desaminación), En ureotélicos el NH3 pasa a urea… CO2, H2O (x. degradación de cetoácidos).
Si el proceso fotosinté8co se resumiese en una reacción química ¿cuáles serían los productos de par8da y cuales los obtenidos en el proceso? ¿Qué función desempeñan en este proceso los pigmentos fotosinté8cos? Par8endo de la base de que un individuo que realiza la fotosíntesis se considera autótrofo, es decir puede sinte8zar sus propias biomoléculas ¿en qué forma y de dónde obtendría los átomos de nitrógeno necesarios para sinte8zar sus aminoácidos? Razona la respuesta y pon ejemplo. q 6 CO2 + 12 H2O →1 glucosa + 6 O2 + 6 H2O. q Los pigmentos captan e. luminosa que transformada en e. química permite la síntesis orgánica: o CCL: Captación y transmisión de e por resonancia o Clorofilas del C.de R: excitación electrónica ⇒ clorofila muy reductora q Fuente de N : o La mayoria de nitratos o Algunos de NH4+ o N2 (ej leguminosas en simbiosis con Rhizobium)
¿Puede un organismo considerado autótrofo asimilar el anhídrido carbónico en ambientes apartados de la luz solar u otra fuente de luz? Razona la respuesta y en caso afirmativo pon un ejemplo de organismo que utilice esta estrategia. Si, quimiosintéticos (quimiolitotróficos), ej. Nitrosomonas, etc. Elabora un texto coherente (no más de diez líneas).en el que se relacionen los siguientes compuestos y estructuras: CO2, O2, NADPH, Glucosa, fotosíntesis, H2O, cloroplastos. Texto sobre fotosíntesis, con somera descripción de: etapas: F. luminosa: fotolisis de H2O y producción de O2, ATP, NADPH. F. oscura: consumo de ATP y NADPH, fijación de CO2 y síntesis de Glucosa. También localización celular de cada proceso (cloroplasto) y conclusión final con ecuación general: 6 CO2 + 12 H2O →1 glucosa + 6 O2 + 6 H2O. En el fenómeno biológico representado en la figura identifica la estructura A y la ruta metabólica B. Pon nombre a los integrantes y comenta el papel del ATP y NADPH en este proceso. Fenómeno: Fotosíntesis A: Tilacoides (grana)⇒ fase luminosa ¿: entra H2O y sale O2 B: Ciclo de Calvin⇒ fase oscura ¿: entra CO2 y sale glucosa (C6H12O6) ATP: Se forma en fase luminosa y se consume en fase oscura para la síntesis orgánica (proporciona energía de enlace) NADPH: Se produce en la fase luminosa y se consume en la f. oscura, aporta H para la síntesis orgánica (fuente de H) que junto con el CO2 produce moléculas orgánicas como la glucosa.
Bibliografía y páginas web
§ Biología. 2ºBachillerato. SANZ ESTEBAN, Miguel. SERRANO BARRERO, Susana. TORRALBA REDONDO. Begoña. Editorial Oxford.
§ Biología. 2ºBachillerato. ALCAMÍ, José. BASTERO, Juan José. FERNÁNDEZ, Benjamín. GÓMEZ DE SALAZAR, José María. MÉNDEZ, Mª Jesús. SLÖCKER Javier. Editorial SM.
§ http://www.biologia.edu.ar/bacterias/micro5.htm § http://centros.edu.xunta.es/iesastelleiras/depart/bioxeo/lgazon/presen/bac2/bio/presf.html § http://centros.edu.xunta.es/iesastelleiras/depart/bioxeo/lgazon/presen/bac2/bio/pdf/envcel.pdf § http://cienciastella.com § http://departamentobiologiageologiaiesmuriedas.wordpress.com/2o-bachillerato/biologia-2/ § http://docentes.educacion.navarra.es/~metayosa/bach2/2biometabo2.html § http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biologia/Enzimas/enzimas.htm § http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/ § http://www.ehu.es/biomoleculas/an/an41.htm § http://www.geocities.ws/batxillerat_biologia/glucids.htm § http://hnncbiol.blogspot.com.es/2008/01/acidos § http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/concurso2001/accesit_4 § http://temabiomoleculas.blogspot.com.es/ § http://tertuliadeamigos.webcindario.com/biocou04.html § http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov
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