RESPIRACIÓN Y FOTOSÍNTESIS

La célulacélula es una máquinamáquina que necesita energía para realizar sus

trabajostrabajos

1. RESPIRACIÓN AEROBIA1.1. CATABOLISMO DE GLÚCIDOS

1.2. CATABOLISMO DE LÍPIDOS

1.3. CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

2. CATABOLISMO ANAEROBIO

3. ANABOLISMO3.1. INTERCINVERSIONES ANABÓLICAS

3.2. FOTOSÍNTESIS3.1.1. FASE LUMINOSA. FOTOFOSFORILACIÓN.

3.1.2. FASE OSCURA. EL CICLO DE CALVIN.

3.2. QUIMIOSÍNTESIS

1. RESPIRACIÓN AEROBIA

1. RESPIRACIÓN AEROBIA

• La respiración aerobia incluye el conjunto de rutas metabólicas por las que las biomoléculas orgánicas son oxidadas completamente, produciendo energía, H2O y CO2, siendo el oxidante utilizado es el oxígeno molecular.

• Las biomoléculas orgánicas que las células utilizan cmo combustible son:– Glúcidos– Lípidos– Proteínas

• La glucosa es el principal combustible metabólico, debido a la facilidad de su utilización y movilización.

VÍAS CATABÓLICAS

1.1. CATABOLISMO DE GLÚCIDOS

• La primera etapa del catabolismo de glúcidos es la glucolisis y ocurre en el citosol.

• Después, la oxidación completa, continúa en la mitocondria. En este orgánulo tienen lugar el Ciclo de Krebs.

A. GLUCOLISIS

• Ocurre en el citosol.

• No necesita oxígeno.

• Sustrato inicial: una molécula de glucosa. (6C)

• Molécula final: 2 moléculas de piruvato. (3C)

A. GLUCOLISIS: etapas

1ª: La glucosa es fosforilada y fragmentada, dando lugar a dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. En este proceso se consumen dos moléculas de ATP.

Glucosa + 2 ATP → 2 gliceraldehído-3-fosfato+ 2ADP

2ª: Las dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato son oxidadas por el NAD+ y convertidas en piruvato. Se obtienen 4 moléculas de ATP.

Gliceraldehído-3-fosfato + 2NAD+ + 4ADP + Pi → 2 piruvato + 2 NADH + 2H+ + 4 ATP + 2 H2O

A. GLUCOLISIS: 1ª Etapa

PASO 1

PASO 2

PASO 3

PASOS 4 Y 5

A. GLUCOLISIS: 2ª Etapa A partir de aquí los productos obtenidos hay que

multiplicarlos por dos.

PASO

6

PASO

7

PASO

8

PASO

9

PASO 10

1ª Etapa 2ª EtapaGLUCOLISIS

A. GLUCOLISIS

• RESUMEN:– Conjunto de reacciones que convierten la

GLUCOSA en ÁCIDO PIRÚVICO en el citosol.– Se libera ATP + PODER REDUCTOR +

METABOLITOS (PIRUVATO)

• BALANCE:– GLUCOSA +2ADP + 2Pi + 2NAD+ -> 2 PIRUVATO +

2ATP + 2 NADH + 2H++ 2H2O

• EL ATP SE OBTIENE POR FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO

B. CICLO DE KREBS: SITUACIÓN INICIAL

• Piruvato en el citosol..• Se ha de continuar la

RESPIRACIÓN CELULAR: conjunto de etapas que terminan la oxidación del piruvato hasta CO2 y agua generando poder reductor para la síntesis de ATP.

PASOS PREVIOS AL CICLO DE KREBS

• Paso del piruvato al interior de la matriz mitocondrial.– Membrana mitocondrial externa: permeable– Membrana mitocondrial interna: selectiva.

Pasan:• ADP y ATP• Ácido pirúvico

PASOS PREVIOS AL CICLO DE KREBS

• Piruvato deshidrogenasa. Complejo multienzimático.

• Se forma NADH+H+ (en realidad 2 por glucosa)

• Producto: ACETIL COENZIMA A

B. CICLO DE KREBS

•Es la ruta final de la oxidación de la glucosa y de la mayoría de combustibles metabólicos. Su función es oxidar el grupo acetilo del Acetil-CoA a CO2, al mismo tiempo que se reducen los coenzimas NAD+ y FAD.

B. CICLO DE KREBSEn cada vuelta de Ciclo:

•Entra un grupo acetilo (2 átomos de carbono) que es oxidado completamente: salen dos CO2)

•Se reducen 3 moléculas de NAD+ y una de FAD.

•Se forma una molécula de GTP.

B. CICLO DE KREBS

B. CICLO DE KREBS: BALANCE

Por cada molécula de glucosa: 2ACETILCoA + 6NAD++ 2FAD + 2GDP + 2Pi + 2H2O→

4CO2 + 2 GTP + 6 NADH + 2FADH2

EL GTP SE OBTIENE POR FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO

C. CADENA DE TRANSPORTE ELÉCTRICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

• La fosforilación oxidativa es el principal medio de regeneración del ATP en los organismos heterótrofos. En ella el ATP se regenera a partir de ADP + Pi, y este proceso está acoplado a al transporte de electrones desde el NADH y el FADH hasta el O2 a través de la cadena respiratoria.

• En eucariotas, la cadena respiratoria se localiza en la membrana interna de la mitocondria. En ella, agrupados en cuatro complejos, se sitúan los diferentes transportadores, cuyos componentes son proteínas.

C. CADENA DE TRANSPORTE ELÉCTRICO Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

• El NADH cede sus electrones a una primera molécula aceptora (complejo I), con lo que el NADH se reoxida y queda reducida esa molécula aceptora. Ésta, a su vez, cede los electrones a un segundo aceptor, que se reduce reoxidando al primer aceptor. El proceso sigue varios pasos, hasta que un último transportador reducido cede los electrones al O2. La energía liberada en este transporte de electrones se emplea para bombear H+ desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana. La vuelta de los protones hacia la matriz, a favor de gradiente, se realiza a través del complejo ATP-sintetasa, que libera energía para producir ATP.

• El FADH2 cede sus electrones al complejo II, siguiendo el mismo camino después que en el caso del NADH

Espacio intermembrana

Matriz

TRANSPORTE DE ELECTRONES DESDE EL NADH

TRANSPORTE DE ELCTRONES DESDE EL FADH2

Mecanismo general de la Mecanismo general de la fosforilación oxidativafosforilación oxidativa

EL ATP EN ESTE CASO SE OBTIENE POR VÍA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Y NO POR FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO

C. CADENA DE TRANSPORTE ELÉCTRICO Y FOSFORILACIÓN

OXIDATIVA. RESUMEN Y BALANCE

• En este proceso es donde se obtiene la mayor parte de la energía contenida en la glucosa y otros compuestos orgánicos, que es almacenada en forma de ATP. Al mismo tiempo se recuperan las coenzimas transportadoras de electrones en su forma oxidada, lo que permitirá la oxidación de nuevas moléculas de glucosa y de otras moléculas orgánicas. Como producto de deshecho se obtiene agua.

• BALANCE:– Se obtienen 3 moléculas de ATP por cada

NADH y 2 ATP por cada FADH2

1.2. CATABOLISMO DE LÍPIDOS• Las grasas (triacilglicéridos) son

unos importantes depósitos energéticos.

• Se acumulan en los adipocitos y son hidrolizadas en: Ácidos grasos y glicerol.– El glicerol es transportado al

hígado, donde es convertido en glucosa se transforma en Gliceraldehido 3P y se incorpora a la Glucolisis.

– Los ácidos grasos pasan a la sangre y son transportados a las distintos tejidos para ser utilizados como fuente de energía. Los Ácidos Grasos van liberando fragmentos de 2 carbonos en la matriz mitocondrial en forma de Acetil CoA en un proceso llamado: β- oxidaxión de los ácidos grasos

1.2. CATABOLISMO DE LÍPIDOS: A. Activación de los ácidos grasos.

• Los ácidos grasos se activan por la unión con la CoA para dar acil-CoA, con gasto de 2 moléculas de ATP. Esto ocurre en la membrana mitocondrial externa.

• Después los acil-CoA son transportados a la matriz través de transportados específicos (carnitina)

1.2. CATABOLISMO DE LÍPIDOS:

B. β-oxidación de los ácidos grasos• La oxidación de los ácidos

grasos (saturados y con nº par de átomos de carbono), consiste en la liberación sucesiva de fragmentos de dos átomos de carbono a partir del extremo carboxílico del acil-CoA.

• En cada vuelta la cadena del ácido graso se acorta 2 átomos de carbono y se genera:– 1 molécula de NADH y

otra de FADH2, que son oxidados en la cadena respiratoria generando ATP.

– 1 molécula de acetil-CoA, que se oxida en el Ciclo de Krebs.

1.2. CATABOLISMO DE LÍPIDOS:C. Visión general

Fase I : obtención de poder reductor y Acetil-CoA en la β- oxidaxión de los ácidos grasos

Fase II: Acetil- CoA va al Ciclo de Krebs.

Fase II : Los coenzimas reducidos NADH y FADH2 se oxidan en la cadena respiratoria generando 3 y dos moléculas de ATP respectivamente.

1.2. CATABOLISMO DE LÍPIDOS:D. Balance energético.

Ejemplo: Ácido esteárico (18 átomos de carbono)

•Por cada vuelta: 1 FADH2 (2 ATP) y 1 NADH+H+ (3 ATP) = 5 ATP•Hay 8 vueltas: 8 x 5 = 40 ATP

•Por cada Acetil-CoA = 12 ATP (Ciclo de Krebs) ; •Se forman 9 Acetil-CoA x 12 = 108 ATP

•108 + 40 = 148 ATP – 2 ATP (activación) = 146 ATP146 ATP

1.3. CATABOLISMO DE PROTEÍNAS

Desaminación

DESTINO DE AMINOÁCIDOS

Primer destino: BIOSÍNTESISPROTEÍNAS

Otros compuestos, p.ej. hormonas

Segundo destino: OBTENCIÓN DE ENERGÍA

si necesidades satisfechas

A partir del esqueleto carbonado. 20 rutas catabólicas diferentes dan lugar a piruvato, acetil-CoA o intermediarios del Ciclo de krebs.

Destino del grupo amino

Formación de urea (en mamíferos): Formación de urea (en mamíferos): Ciclo de la urea, tiene Ciclo de la urea, tiene lugar en el hígado (citosol y mitocondria). Es un proceso lugar en el hígado (citosol y mitocondria). Es un proceso cíclico que consume energía.cíclico que consume energía.

VISIÓN GENERAL DEL CATABOLISMO AEROBIO

2. CATABOLISMO ANAEROBIO

A. FERMENTACIÓNRuta catabólica anaerobia que consiste en la Ruta catabólica anaerobia que consiste en la oxidación parcial de los combustibles oxidación parcial de los combustibles orgánicos, obteniéndose ATP mediante orgánicos, obteniéndose ATP mediante fosforilación a nivel de sustrato; y cuyo fosforilación a nivel de sustrato; y cuyo aceptor final de electrones es una compuesto aceptor final de electrones es una compuesto orgánico generado por la propia ruta.orgánico generado por la propia ruta.

1. ALCOHÓLICA. Producto final: ETANOL1. ALCOHÓLICA. Producto final: ETANOL

TIPOSTIPOS

Def.Def.

2. LÁCTICA. Producto final: LACTATO (ác. Láctico)2. LÁCTICA. Producto final: LACTATO (ác. Láctico)

3. ACÉTICA. Producto final: ACETATO3. ACÉTICA. Producto final: ACETATO

4. BUTÍRICA. Producto final: ÁCIDO BUTÍRICO4. BUTÍRICA. Producto final: ÁCIDO BUTÍRICO

FERMENTACIÓN

Recuperar el NADRecuperar el NAD+ para que la glucolisis pueda para que la glucolisis pueda seguir en funcionamiento.seguir en funcionamiento.

ObjetivoObjetivo

A.1. FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

Formar etanol a partir de ácido pirúvico para Formar etanol a partir de ácido pirúvico para reoxidar el NADH.reoxidar el NADH.

consiste enconsiste en

Aceptor final de elcetrones: acetaldehídoAceptor final de elcetrones: acetaldehído

La realizan las lévaduras del género La realizan las lévaduras del género Sccharomyces.Sccharomyces.

A.2. FERMENTACIÓN LÁCTICA

Formar ácido láctico a partir de ácido pirúvico Formar ácido láctico a partir de ácido pirúvico (obtenido en la glucolisis) para reoxidar el (obtenido en la glucolisis) para reoxidar el NADH.NADH.

La realizan: La realizan: bacterias del Gº Lactobacillus y bacterias del Gº Lactobacillus y Streptococcus y células animales (músculo, Streptococcus y células animales (músculo, tejido cartilaginoso)tejido cartilaginoso)

consiste enconsiste en

A.3. IMPORTANCIA FISIOLÓGICA DE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA Y LA GLUCOLISIS EN

DETERMINADAS CÉLULAS ANIMALES

En ausencia de oxígeno En ausencia de oxígeno (músculo esquelético)(músculo esquelético) y en y en células que no contienen mitocondrias células que no contienen mitocondrias (eritrocitos), la glucolisis es la única vía para (eritrocitos), la glucolisis es la única vía para producir energía, y la fermentación láctica el producir energía, y la fermentación láctica el mecanismo para regenerar el NAD+.mecanismo para regenerar el NAD+.

El proceso de la glucolisis anaerobia (2 ATP) El proceso de la glucolisis anaerobia (2 ATP) constituye un despilfarro de glucosa comparado constituye un despilfarro de glucosa comparado con la respiración aeróbica (38 ATP), sin con la respiración aeróbica (38 ATP), sin embargo, la producción de ATP en la glucolisis embargo, la producción de ATP en la glucolisis anaerobia puede ser hasta cien veces mayor que anaerobia puede ser hasta cien veces mayor que la respiración aerobia. Por ello, cuando los la respiración aerobia. Por ello, cuando los músculos consumen ATP muy rápido, lo músculos consumen ATP muy rápido, lo regeneran mediantre respiración anaerobia.regeneran mediantre respiración anaerobia.

3. ANABOLISMO

3.1. • Los sustratos de la glicolisis y del Ciclo de

Krebs pueden convertirse en aminoácidos.

• GLUCONEOGÉNESIS: consiste en la biosíntesis de glucosa a partir de precursores que son intermediarios de las rutas catabólicas:

• El Acetil-CoA es el primer sustrato de la biosíntesis de ácidos grasos.

3.1. INTERCONVERSIONES ANABÓLICAS

GLICEROLLACTATOAMINOÁCIDOSPIRUVATO

LA FOTOSÍNTESISLA FOTOSÍNTESIS

Los organismos

FOTOTROFOS

3.2. LA FOTOSÍNTESIS

• Definición: Proceso complejo, por el cual PLANTAS, ALGAS y ALGUNOS PROCARIOTAS captan la energía lumínica procedente del sol y la transforman en energía química (ATP) y poder reductor (NADPH). Con ellos transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos (Glucosa), liberando O2.

• Importancia:– Para las plantas, algas y algunos procariotas la energía solar es una

fuente inmediata de energía.– Síntesis de materia orgánica a partir de inorgánica, que es fuente energía

para los organismos heterótrofos a través de las cadenas tróficas.– La atmósfera se enriquece de O2 que necesitamos para la respiración.– Para los seres humanos: el carbón, petróleo y gas natural son

combustibles fósiles de origen vegetal, originados por la fotosíntesis del pasado.

FASES DE LA FOTOSÍNTESIS

1. Fase luminosa: Utilizando luz visible como fuente de energía produce PODER REDUCTOR (NADPH), O2 y ATP.

2. Fase oscura: Tanto en presencia como en ausencia de luz visible. Se utilizan el poder reductor y la energía química producidas en la fase luminosa para la fijación de carbono.

Fase luminosa

Fase oscura

FOTOSÍNTESIS: GENERAL

3.2.1. FASE LUMINOSA

• Procesos que se llevan a cabo:

1. Síntesis de ATP o fotofosforilación:

ADP + Pi + E ATP

2. Síntesis de poder reductor (NADPH).

NADP+ +2e + 2H+ NADPH + H+

3. Fotolisis del agua.

H2O ½ O2 + 2H+ + 2e

• Reacción global:

H2O + NADP+ + ADP + Pi ½ O2 + NADPH + H+ + ATP

¿Dónde se realiza la fase luminosa?

En plantas y algas se realiza en la membrana tilacoidal de los cloroplastos, donde se localizan una serie de pigmentos fotosintéticos (clorofilas, carotenos y xantofilas) asociados a proteínas de membrana. Todos ellos forman el llamado complejo antena, que absorbe energía que es canalizada hacia una molécula especial de clorofila (clorofila a),

que constituye el centro reactivo. COMPLEJO ANTENA + CENTRO

REACTIVO = FOTOSISTEMA

Estructura química de una molécula de clorofila

• La molécula de clorofila consta de:– Anillo de porfirina con un

átomo de magnesio en el centro: es la parte que absorbe la luz.

– Fitol: cadena hidrocarbonada que fija la clorofila a la membrana tilacoidal.

Cuando la clorofila absorbe la energía de la luz, sus electrones son excitados y pueden cederse fácilmente a un aceptor.

FOTOSISTEMAS

300 MOLÉCULASDE CLOROFILA + carotenoides, junto con moléculas transportadoras

UNIDAD FOTOSINTÉTICA

Moléculas antena Centro de reacción(clorofila a)

son

constituyen

se divide en

• P700 – Fotosistema I• P680 – Fotosistema II

LOS FOTOSISTEMAS

Los dos fotosistemas están conectados a unas proteínas de membrana que transportan electrones actuando en serie y se produce un flujo lineal de electrones desde el agua hasta el NADP+, que es reducido a NADPH

FUNCIONAMIENTO DE LOS FOTOSISTEMAS

FOTOSISTEMA II FOTOSISTEMA I

FOTOFOSFORILACIÓN NO CÍCLICA

RESUMIENDO: La energía de la luz se emplea en la fotosíntesis para generar NADPH y ATP, que se requieren para la reducción del CO2 en el Ciclo de Calvin (Fase oscura).

FOTOFOSFORILACIÓN NO CÍCLICA

• El flujo de electrones es lineal.• Intervienen dos fotosistemas.• Bombeo de hidrogeniones a su paso por el • Se obtiene la misma cantidad de ATP y NADPH

aprox.• En el ciclo de Calvin se consume más ATP que

NADPH, por ello hay un transporte cíclico de en el que solo funciona el FSI que produce solo ATP.

FOTOFOSFORILACIÓNCÍCLICA

• Sólo interviene el fotosistema I.

• No se reduce el NADP.

• No se rompe el H2O: no se libera O2.

• Sí se sintetiza ATP.• Se activa cuando hay

desequilibrio entre ATP y NADPH.

BOMBEO DE PROTONES (H+) HACIA EL INTERIOR DEL TILACOIDE

SÍNTESIS DE ATP (ATP sintasa)

Vuelta de H+ al estroma a través de la ATP-sintetasa

El carácter cíclico o no cíclico está regulado por la [NADP+]

3.2.2. LA FASE OSCURA DE LA 3.2.2. LA FASE OSCURA DE LA FOTOSÍNTESIS: ciclo de calvinFOTOSÍNTESIS: ciclo de calvin

El proceso de síntesis de compuestos orgánicos

LA FASE OSCURA

• Reducción del carbono del CO2 para formar glucosa.

• Se produce tanto haya luz o no

ETAPAS

• Fijación o carboxilación• Reducción: de 3-PGA a

gliceraldeído-3-P(6).– Consume ATP– Consume NADPH– Paso intermedio 1,3-

bisfosfoglicérico– Una de las seis es el

producto de la fijación.

• Recuperación o regeneración

RESUMEN

FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA FOTOSÍNTESIS

• TEMPERATURA

• HUMEDAD

• LUZ

• CONCENTRACIÓN DE CO2 Y O2

3.2. QUIMIOSÍNTESIS

• Las bacterias quimiosintéticas utilizan CO2 como fuente de carbono y obtienen la energía necesaria para sintetizar moléculas orgánicas, mediante reacciones químicas de oxidación de distintos compuestos inorgánicos: NH3, Nitritos, azufre, Fe, etc

BACTERIAS QUIMIOSINTÉTICAS DEL NITRÓGENO

REACCIONES DE OXIDACIÓN NH3 a nitritos (Nitrosomonas)

Nitritos a nitratos (Nitrobacter)

2 NH4+ + 3 O2 2 NO2

- + 4H+ + 2 H2O + energía

2 NO2- + O2 2 NO3

- + energía

Puede ser absorbido por las plantas

Nitrosomonas y Nitrobacter comparten el mismo habitat.

Imprescindibles en el ciclo del nitrógeno.

(Nitrosomonas)

CICLO DEL NITRÓGENOCICLO DEL NITRÓGENO

BACTERIAS QUIMIOSINTÉTICAS DEL AZUFRE

REACCIONES DE OXIDACIÓN

So

H2S

S2O32- (tiosulfato)

H2SO4H2S + 2 O2 SO4

2- + 2 H+

S2O32- + H2O SO4

2- + 2 H+

Puede desalcalinizar suelos

(Desulfovibrio)

CICLO DEL NITRÓGENOCICLO DEL NITRÓGENO

OTRAS BACTERIAS QUIMIOSINTÉTICAS

DEL HIERRO (Thiobacillus ferrooxidans)

Fe 2+ Fe 3+ 4 Fe 2+ 4 H+ + O2 4 Fe 3+ + 2 H2O