La energía y los seres vivosLa energía y los seres vivos

Fotosíntesis y respiración celular.Fotosíntesis y respiración celular.

Vistazo al capítulo

• Sección 1La energía y los sistemas vivos.ATP.• Sección 2FotosíntesisUtilizar la energía de la luz solarEtapa uno: absorción de la energía luminosa.Etapa dos: producción de ATPEtapa tres: almacenamiento de la energía.

Sección 1 « La energía y los seres vivos»

• Analizar el flujo de energía a través de los sistemas vivos.

• Comparar el metabolismo de los autótrofos con el de los heterótrofos.

• Describir el papel que juega el ATP en el metabolismo.

• Describir como se libera la energía del ATP.

Términos clave

• Fotosíntesis• Autótrofo• Heterótrofo

La energía en los sistemas vivosLa energía en los sistemas vivos

La energía del sol se transmite a los seres vivos, cuando las plantas, las algas y ciertos procariotes absorben la luz solar. Parte de la energía del sol se capta y se utiliza para fabricar compuestos orgánicos . Estos compuestos orgánicos almacenan energía química y pueden servir de alimento para los organismos.

La energía en los sistemas vivos.La energía en los sistemas vivos.

La energía y los seres vivos.La energía y los seres vivos.

Construir moléculas que almacenan Construir moléculas que almacenan energía.energía.

El metabolismo implica la utilización de energía para construir moléculas o la descomposición de moléculas que almacenan energía. La fotosíntesis La fotosíntesis es el proceso de transformación de energía luminosa a energía química.Los organismos que utilizan la energía de la luz solar o de los enlaces químicos de las sustancias para formar compuestos orgánicos se denominan autótrofos.autótrofos.

Construir moléculas que Construir moléculas que almacenan energía.almacenan energía.

La mayoría de los autótrofos obre todo las plantas , son organismos fotosintéticos. Algunos autótrofos como por ejemplo, ciertos procariotes , utilizan energía química de sustancias inorgánicas para formar compuestos orgánicos, sobre todo organismos de las profundidades del mar.

Fuente de energía que Atrapa la clorofila

ConsumenGas perjudicial

Producen: gas fundaMental para la respiración

Fabrican: hidratos de carbono: que es la energia que utilizan para su alimentación y desarrollo y es la fuente de energía para los demás seres vivos.

Descomponer los alimentos Descomponer los alimentos para obtener energía. para obtener energía.

La energía química de los compuestos orgánicos puede transferirse a otros compuestos o a organismos que consumen alimentos .Los organismos que necesitan obtener energía de los alimentos , y no directamente de la luz solar o de las sustancias inorgánicas , se denominan heterótrofos.heterótrofos.

Descomponer los alimentos para Descomponer los alimentos para obtener energía.obtener energía.

Respiración celular: Respiración celular: es un proceso metabólico similar a quemar un combustible. Al quemarse un combustible , casi toda la energía contenida en este se transforma en calor; la respiración celular libera gran parte de la energía de los alimentos para fabricar ATP, proporcionando a las células energía que necesitan para llevar a cabo sus actividades vitales.

Transferencia de la energía al ATP.Transferencia de la energía al ATP.

En las células la energía química almacenada en las moléculas de los alimentos se libera gradualmente a través de una serie de reacciones químicas catalizadas por enzimas, el producto de una reacción química en reactivo de la siguiente reacción. En la descomposición del almidón, por ejemplo cada reacción libera energía.

Transferencia de energía al ATPTransferencia de energía al ATP

Cuando las células descomponen las moléculas de los alimentos , parte de la energía de los alimentos se libera en forma de calor. Gran parte de la energía restante se almacena temporalmente en moléculas de ATP. Al igual que el dinero, el ATP es una forma de «moneda» de energía portátil dentro de las células. El ATP libera energía donde se necesita en la célula y esta energía puede utilizarse para llevar a cabo otras reacciones químicas , como las que se necesitan para construir moléculas. En las células la mayoría de las reacciones químicas requieren menos energía de la que libera el ATP. Por lo tanto, el ATP libera suficiente energía como para impulsar la mayoría de las actividades en la célula.

ATPATP

Recuerda que el ATP ( adenosín trifosfato) es un nucleótido con 2 grupos fosfatos adicionales para almacenar energía.

ATPATP

Los 3 grupos fosfato del ATP forman una cadena que se ramifica a partir de un azúcar de cinco carbonos llamado ribosa. Esta cola de fosfato es inestable , debido a que los grupos fosfato tienen carga negativa , y por lo tanto se rechazan entre sí . Los grupos fosfato almacenan energía de la misma forma en que lo hace un resorte comprimido esta energía se libera cuando se rompen los enlaces que unen a los grupos fosfato.

ATPATP

ATPATP

Para romper el enlace del fosfato exterior se necesita un aporte energía . Sin embargo se libera mucha más energía de la que se consume en la reacción. La eliminación de un grupo fosfato del ATP , produce adenosín difosfato, o ADP. Esta reacción libera energía de un modo que les permite a las células utilizar esa energía . La ecuación siguiente resume esa reacción.

ATP ADP + P + energía.Las células utilizan la energía que libera esta reacción para llevar a cabo el metabolismo. En algunas reacciones químicas , se eliminan 2 grupos fosfatos del ATP en vez de sólo uno. Esto tiende a hacer irreversible la reacción , porque el par de grupos fosfatos que se elimina no esta disponible para la reacción inversa y se divide rápidamente en 2 grupos fosfatos.

FotosíntesisFotosíntesis

Etapas de la fotosíntesisEtapas de la fotosíntesisLa fotosíntesis es el proceso que proporciona energías a casi todas las formas de vida, la fotosíntesis se desarrolla en tres etapas:Etapa 1 : Etapa 1 : Se capta la energía de la luz solar.Etapa 2 : Etapa 2 : La energía luminosa se transforma en energía química, que se acumula temporalmente en el ATP y en la molécula transportadora de energía NADPH.

FotosíntesisFotosíntesis

Etapas de la fotosíntesisEtapas de la fotosíntesisEtapa 3: Etapa 3: La energía química acumulada en el ATP y en el NADPH permite la formación de compuestos orgánicos, utilizando el CO2.La fotosíntesis tiene lugar dentro de los cloroplastos de las células de las plantas y las algas y en la membrana celular de ciertos procariotes. La fotosíntesis puede resumirse con la siguientes ecuación:

3CO2 + 3 H2O + energía de luz 2C3H6O3+ 3O2 .

FotosíntesisFotosíntesis

Sin embargo esta reacción no muestra como ocurre la fotosíntesis. Sólo indica que se necesitan tres moléculas de CO2, tres moléculas de H2O, y luz para formar un compuesto orgánico de tres carbonos y tres moléculas de oxígeno. Las plantas utilizan los compuestos orgánicos que fabrican durante la fotosíntesis para llevar a cabo sus procesos vitales.

FotosíntesisFotosíntesis

Por ejemplo, algunos de estos azúcares se utilizan para formar almidón , que puede almacenarse en los tallos o raíces . La planta puede descomponer el almidón más adelante para fabricar el ATP que necesita para su metabolismo. Todas las proteínas , los ácidos nucleicos y las otras moléculas de la célula se forman con fragmentos de estos azúcares.

El proceso de la fotosíntesis en El proceso de la fotosíntesis en tres etapas.tres etapas.

Etapa 1: absorción de la energía Etapa 1: absorción de la energía luminosaluminosa

Las reacciones químicas que ocurren en la primera y segunda etapas de la fotosíntesis a menudo se llaman «reacciones luminosas» o reacciones dependientes de la luz. Sin la absorción de la luz estas reacciones no podrían ocurrir. La energía luminosa permite fabricar compuestos que almacenan energía . La luz es una forma de radiación , es decir energía en forma de ondas que viajan a través del espacio.

Etapa 1: absorción de la energía Etapa 1: absorción de la energía luminosaluminosa

Los distintos tipos de radiación ,tales como la luz y el calor tienen diferentes longitudes de onda (la distancia entre 2 ondas consecutivas). Cuando el sol brilla sobre ti , muchas clases de radiación provenientes del sol bombardean tu cuerpo. Sin embargo sólo puedes ver la radiación conocida como luz visible. Las longitudes de onda de la luz visible se ven como distintos colores, la luz solar contiene todas las longitudes de onda visible.

Etapa 1: absorción de la energía Etapa 1: absorción de la energía luminosa.luminosa.

Etapa 1: absorción de la energía Etapa 1: absorción de la energía luminosa.luminosa.

PigmentosPigmentosLos pigmentos se encuentran en las hojas y son estructuras que contienen sustancias que absorben la luz, los pigmentos absorben sólo ciertas longitudes de onda y reflejan las demás. La clorofila , el principal pigmento de la fotosíntesis , absorbe principalmente la luz azul y roja , y refleja la luz verde y amarilla.Este reflejo de la luz verde y de la luz amarilla hace que muchas plantas y en particular, su hojas se vean verdes. Las plantas contienen 2 tipos de clorofila , la clorofila a y la clorofila b ambas desempeñan un papel muy importante en la fotosíntesis.

Los colores del espectro que el pigmento clorofila absorbe mejor son el violeta, el azul y el rojo.

¿Por qué la clorofila es verde?

DEFINICION Y CARACTERISTICAS DE VARIAS REGIONES DE LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ

Color Rango de longitud de onda (nm) Longitud de onda representativa

Frecuencia (Ciclos/S)o hertzios

Energía(KJ/mol)

Ultravioleta <400 254 11.8 x 1014 471

Violeta 400-425 410 7.31 x 1014 292

Azul 425-490 460 6.52 x 1014 260

Verde 490-560 520 5.77 x 1014 230

Amarillo 560-585 570 5.26 x 1014 210

Anaranjado 585-640 620 4.84 x 1014 193

Rojo 640-740 680 4.41 x 1014 176

Infrarrojo >740 1400 2.14 x 1014 85

Etapa 1 : absorción de la energía Etapa 1 : absorción de la energía luminosa.luminosa.

PigmentosPigmentosLos pigmentos que producen los colores amarillos y anaranjados de las hojas de otoño, así como los colores de muchas frutas , vegetales y flores se llaman carotenoides. carotenoides. Los carotenoides absorben longitudes de onda de la luz distintas de las que absorbe la clorofila, por lo que tener ambos pigmentos les permite a las plantas absorber más energía luminosa durante la fotosíntesis .

Etapa uno: absorción de la energía Etapa uno: absorción de la energía luminosaluminosa.

Etapa uno: absorción de la energía Etapa uno: absorción de la energía luminosaluminosa.

Etapa uno: absorción de la energía Etapa uno: absorción de la energía luminosaluminosa

Producción de oxígeno.Producción de oxígeno.Los pigmentos vegetales que participan en la fotosíntesis se ubican en los cloroplastos de las células de las hojas. En las membranas de unas estructuras con formas de discos llamadas tilacoidestilacoides se encuentran incrustados grupos de pigmentos. Cuando la luz llega a un tilacoide en un cloroplasto, la energía se transfiere a los electrones de la clorofila . Esta transferencia de electrones salten a un nivel de energía más alto. Se dice que los electrones con energía adicional están «excitados». Así es como las plantas captan en un principio la energía solar.

Complejo antena

Etapa uno: absorción de la energía Etapa uno: absorción de la energía luminosaluminosa

Producción de oxígenoProducción de oxígenoLos electrones excitados saltan de las moléculas de clorofila a otras moléculas cercanas de la membrana tilacoide, donde los electrones se utilizan para activar la segunda etapa de la fotosíntesis. Los electrones excitados que salen de las moléculas de clorofila deben ser reemplazados por otros electrones . Las plantas obtienen estos electrones de reemplazo a partir de las moléculas de agua . Una enzima dentro del tilacoide divide las moléculas de agua y, cuando estas se dividen , las moléculas de clorofila toman los electrones de los átomos de hidrógeno , produciendo iones de H. Los demás átomos de oxígeno, de las molécula de agua divididas se combinan para formar O2.

Etapa uno: absorción de la energía Etapa uno: absorción de la energía luminosaluminosa

Etapa uno: absorción de la energía Etapa uno: absorción de la energía luminosaluminosa

Hoja célula vegetal cloroplasto

tilacoide

Membrana tilacoide.

Etapa dos: transformación de la Etapa dos: transformación de la energía luminosa.energía luminosa.

Los electrones excitados que salen de las moléculas de clorofila se utilizan para producir nuevas moléculas , incluyendo ATP, que almacenan energía química temporalmente. Primero un electrón excitado salta a una molécula cercana en la membrana tilacoide. Luego, el electrón pasa a través de una serie de moléculas en la membrana tilacoide , como un balón que pasa de una persona a otra . Las series de moléculas por la que pasan los electrones excitados a lo largo de la membrana tilacoide se denomina cadena de transporte de electrones.cadena de transporte de electrones.

Etapa dos: transformación de la Etapa dos: transformación de la energía luminosa.energía luminosa.

Cadena de transporte de electronesCadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones contiene un proteína que actúa como una bomba en la membrana. Los electrones excitados pierden parte de su energía al pasar a través de esta proteína . La energía que pierden se utiliza para bombear los iones de hidrógeno, hacia el interior del tilacoide. También se producen iones de hidrogeno cuando se dividen las moléculas de agua dentro del tilacoide.

Etapa dos: transformación de la Etapa dos: transformación de la energía luminosa.energía luminosa.

Cadena de transporte de electronesCadena de transporte de electronesAl continuar el proceso los iones de hidrógeno se concentran más dentro del tilacoide que fuera de el , produciendo un gradiente de concentración a lo largo de la membrana tilacoide, como resultado los iones de hidrógeno tienden a salir por difusión del tilacoide y regresar por su gradiente de concentración mediante proteínas transportadoras especializada. Estas proteínas son poco comunes porque funcionan como canal iónico y como enzimas. Cuando los iones H pasan a través de la sección del canal de la proteína, la proteína cataliza una reacción en la cual un grupo fosfato se agrega a una molécula de ADP, produciendo ATP.

Etapa dos: transformación de la Etapa dos: transformación de la energía luminosa.energía luminosa.

Cadena de transporte de electronesCadena de transporte de electronesAsí, el movimiento de los iones de hidrógeno , hacia el otro lado de la membrana tilacoide mediante estas proteínas proporciona la energía que se necesita para fabricar ATP, el cuál se utiliza para activar la tercera etapa de la fotosíntesis.Mientras una cadena de transporte de electrones proporciona la energía que se utiliza para fabricar ATP, una segunda cadena de transporte de electrones proporciona la energía para fabricar NADPH. NADPH. El NADPH es un transportador de electrones que provee los electrones de alta energía que se necesita para fabricar enlaces carbono- hidrógeno en la tercera etapa de la fotosíntesis.

Etapa dos: transformación de la Etapa dos: transformación de la energía luminosa.energía luminosa.

Cadena de transporte de electronesCadena de transporte de electronesEn la segunda, cadena los electrones excitados se combinan con los iones de hidrógeno y con un receptor de electrones llamado NADP+ , produciéndose NADPH.Las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis pueden resumirse de la siguiente manera. Las moléculas de pigmento presentes en los tilacoides de los cloroplastos absorben la energía luminosa. La luz excita los electrones de los pigmentos y estos se mueven a través de las cadenas transportadoras de electrones de las membranas tilacoides. Estos electrones se reemplazan con electrones de las moléculas de agua que son divididas por una enzima.

Etapa dos: transformación de la Etapa dos: transformación de la energía luminosa.energía luminosa.

Los átomos de oxígeno de las moléculas de agua se combinan para formar oxígeno. Los iones de hidrógeno se acumulan dentro de los tilacoides y crea un gradiente de concentración que proporciona la energía necesaria para formar ATP y NADPH.

Etapa tres: almacenamiento de Etapa tres: almacenamiento de energíaenergía.

En la tercera y última etapa de la fotosíntesis, los átomos de carbono del CO2 de la atmósfera se utilizan para fabricar compuestos orgánicos en los se almacena energía química. La transferencia de CO2 a compuestos orgánicos se denomina fijación de CO2fijación de CO2. Las reacciones que fijan el CO2 se denominan a menudo» reacciones oscuras» , o reacciones no dependientes de la luz.

Ciclo de CalvinCiclo de Calvin

El método más común para que ocurra la fijación del CO2 de carbono es el ciclo de Calvin. El ciclo de Calvin es una serie de reacciones químicas catalizadas por enzimas que producen un azúcar de tres carbonos.

Ciclo de CalvinCiclo de Calvin

El ciclo de Calvin se resume en cuatro pasosPaso 1 : Paso 1 : En la fijación del CO2 , cada molécula de CO2, se agrega a un compuesto de 5 carbonos a través de una enzima.Paso 2: Paso 2: El compuesto de 6 carbonos resultante se divide en dos compuestos de tres carbonos. A estos compuestos se unen grupos fosfatos de ATP y electrones del NADPH, formando azúcares de tres carbonos.

Ciclo de CalvinCiclo de Calvin

Paso 3 : Paso 3 : Uno de los azúcares de tres carbonos resultantes se utiliza para fabricar compuestos orgánicos , como el almidón y la sacarosa, en los que se almacena la energía para ser utilizada luego por el organismo.Paso 4 : Paso 4 : Los otros azúcares de tres carbono se utilizan para regenerar el compuesto de cinco carbonos inicial , completando así el ciclo.

Factores que afectan la fotosíntesisFactores que afectan la fotosíntesis

El factor mas obvio es la luzluz. En general, la tasa de fotosíntesis aumenta a la par de la intensidad luminosa intensidad luminosa hasta el punto en que se utilizan todos los pigmentos. En este punto de saturación , la tasa de fotosíntesis se equilibra, ya que los pigmentos no pueden absorber más luz. . La concentración de CO2 La concentración de CO2 de carbono afecta la tasa de fotosíntesis de forma similar.

Factores que afectan la fotosíntesisFactores que afectan la fotosíntesis

Una vez que se alcanza una cierta concentración de CO2, la fotosíntesis ya no puede ocurrir más rápidamente.La fotosíntesis es más eficiente dentro de un cierto rango de temperaturastemperaturas. Al igual que todos los procesos metabólicos, la fotosíntesis incluye muchas reacciones químicas catalizadas por enzimas . Recuerda que las temperaturas poco favorables pueden inactivar ciertas enzimas.