Tema 5: La respiración celular y la

fotosíntesis

Ya hemos visto que todos los seres vivos necesitan materia y energía , sabemos quees la célula la encargada de obtener esa energía mediante las reacciones

catabólicas y que es la célula la encargada de fabricar la materia mediante losprocesos anabólicos .

Ahora vamos a profundizar en el metabolismo, vamos a ver qué orgánulos lo realizan,dónde radica su importancia biológica, para ello nos centraremos en uno de los procesoscelulares más importantes:

La respiración celular , en el cual la célula es capaz de obtener energía demoléculas como glúcidos, fundamentalmente glucosa, lípidos y, en casos denecesidad, de proteínas. Este proceso tiene lugar en la mitocondria y lorealizamos todos los seres vivos , normalmente, en presencia de oxígeno.

También vamos a adentrarnos en la base de la vida, la síntesis de materiaorgánica . Mediante la fotosíntesis las células vegetales son capaces defabricar, en sus cloroplastos , materia orgánica a partir de la inorgánica. Eso esalgo que no todos los organismos pueden hacer y que los convierte en la basealimenticia para todo el conjunto de los seres vivos, ellos hacen que los alimentosno se agoten, ...interesante ¿verdad?

Nos adentraremos en ese mundo en el que se vuelven a unir lo químico, las moléculas, loinerte, con lo vivo, la célula y sus orgánulos.

Recursos cnice

Para que puedas entender mejor todo lo que vamos a contarte debemosrepasar unos conceptos básicos.

Todos estos procesos que vamos a ver son reacciones químicasenlazadas , es decir el producto de una reacción es el sustrato de lasiguiente, de manera que si se detiene una reacción lo hacen todas.

Para que muchas de estas reacciones se lleven a cabo necesitamosenergía , pero una energía química que viene empaquetada en una moléculaque vas a oír mucho el ATP .

El ATP es un ácido nucleico , (¿los recuerdas del tema 1?) se trata delA denosin T rifosfato (la P viene del fosfato). Esta molécula guarda una gran

cantidad de energía en los enlaces de sus grupos fosfato, que se libera alromperlos.

Además esta energía la puede perder poco a poco , ya que puede perderlos P uno a uno. Cuando decimos que el catabolismo fabrica energía nosreferimos a que fabrica moléculas de ATP.

ATP de user:Mysid CC

El NADH , es un coenzima, es decir, es un elemento que sin participardirectamente en la reacción la hace posible captando y cediendoelectrones . Se dice que tiene poder reductor porque, en un momentodeterminado, cede electrones a otra molécula y la reduce.

¡Esto de los coenzimas parece difícil!

Vamos a tratar de explicártelo de la forma más sencilla posible.:

Cuando una molécula se oxida pierde electrones ; cuando se reduce,los gana . Pensarás que a los electrones es difícil seguirles la pista, ¡y lo es!,pero vamos a utilizar un truco que nos puede servir.

Los electrones (e-) suelen ir acompañados de un protón (H + ). La unión de(e - ) + (H + ) constituye un átomo de hidrógeno (H). ¡A los átomos dehidrógeno es más fácil seguirles la pista! El coenzima que presenta másátomos de hidrógeno está reducido, en realidad tiene más electrones (¡con

pareja!, eso sí)

Veamos en una tabla cómo se presentan los coenzimas oxidados y reducidos.Veremos los tres más comunes que aparecen en el metabolismo:

Coenzimas

Oxidado Reducido

NAD+ NADH

FAD FADH2

NADP NADPH

1.- La fotosíntesis, energía a partir de la

luz

¡¡Qué fascinante!! , ¡Con qué facilidad fabrican la materia orgánica!

Fotosíntesis

La fotosíntesis es uno de los procesos más importantes para la vida. Se trata de algo,aparentemente, tan sencillo como tomar el CO 2 del aire y transformarlo en

glucosa , una biomolécula orgánica del grupo de los glúcidos. Y todo eso tomando laenergía del sol y agua. Se realiza, principalmente, en las hojas de la planta.

Para realizar la fotosíntesis necesitamos CO 2 atmosférico que entrará en la célula a

través de los estomas de la hoja, agua que asciende desde la raíz y la energía solar, quees captada por los pigmentos.

CLoroplastos

Lo primero que necesitamos es conocer el lugar en el que se va arealizar el proceso, los cloroplastos .

Estos orgánulos presentan una doble membrana que los separa delexterior.

El espacio interior, denominado estroma , presenta unas estructurascon membrana y forma de saco, los tilacoides , que puedenencontrarse aislados o apilados formando los grana .

En el interior de los tilacoides se encuentra la clorofila , un

pigmento verde que, aparte de darle ese color característico, permiteque puedan captar la energía de la luz del sol .

Imagen de Miguelsierra. CC

Fotosíntesis

La fotosíntesis se realiza en dos fases:

Fase luminosa

es la primera fase, en ella se genera ATP y, poder reductor,NADPH y tiene lugar en la membrana de los tilacoides . Se

llama luminosa o clara porque se necesita la luz para realizarla.Produce energía .

Un hecho de gran importancia que tiene lugar durante la fase luminosaes la fotólisis del agua , es decir, la ruptura de la molécula de aguapor acción de la luz. Esta ruptura supone la liberación de electrones yprotones, que se emplearán para formar ATP y coenzimasreducidos , y oxígeno , que no es más que un producto dedesecho.

¡Sabías que todo el oxígeno que hay actualmente en el planeta procedede la actividad fotosintética! ¡La atmósfera primitiva de la Tierra nocontenía oxígeno!

Proyecto Biosfera

Fase oscura:

En ella el NADPH y el ATP, fabricados en la fase anterior, se empleanpara fabricar glucosa a partir de el CO 2 atmosférico . Esta fase

ocurre en el estroma mediante el ciclo de Calvin . Aunque sellame oscura, ocurre con y sin luz. Consume energía.

Si te fijas en la imagen inferior verás como el CO 2 se va incorporando

a este ciclo para formar materia orgánica.

Modificado de Wikipedia. CC

Y de todo esto ¿qué obtiene la célula?

Principalmente glucosa , si recuerdas el tema 1, ahí vimos como estamolécula era la f uente esencial de energía.

La glucosa puede incorporarse a la mitocondria y gracias a la respiracióncelular transformarse en energía.

Recursos Cnice C

Todo esto puede ser muy complicado si no vamos despacio. Te mostraremosuna animación en la que se recrea el proceso paso a paso.

Lourdes Luengo

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Verdadero Falso

Señala si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.

Las plantas producen oxígeno

En la fase luminosa se produce energía

La fase oscura consume CO 2

La fase oscura sólo puede darse por la noche

AV - Pregunta Verdadero-Falso

¿Sabes por qué las hojas de las plantas caducifolias se vuelvenmarrones antes de caerse en otoño?

El color verde de las hojas se debe a la presencia de la clorofila que es unpigmento de color verde, pero en los fotosistemas existen otros pigmentoscomo la xantofila. En otoño la intensidad de la luz disminuye al llegar lo rayossolares más oblicuos, esto hace que deje de fabricarse la clorofila y, entonces,se hacen visibles los otros pigmentos que dan colores marrones y amarillos.

Pre-conocimiento

1.1- Importancia biológica de la

fotosíntesis

Una vez que conocemos el proceso podemos intentan profundizar en lo importante queresulta para el planeta, y para la vida en general, que la fotosíntesis tenga lugar.

Veamos el resumen del proceso:

Recursos Cnice

Libera oxígeno . La importancia de este hecho se comprendefácilmente solo recordando que la mayoría de los seres vivos tomanel oxígeno del aire, luego es muy importante que algunosorganismos repongan el que se consume. Aunque no hay queolvidar que al tener mitocondrias las células vegetales tambiénconsumen O 2 , pero el balance siempre es a favor de la liberación

del gas .

Consume dióxido de carbono . Después de que se hayademostrado que la causa directa del incremento de la temperaturaglobal de planeta es la acumulación de gases de efecto invernadero,sobre todo el CO 2 , los organismos fotosintéticos se han convertido

en una esperanza para su reducción. La reforestación se haconvertido en una necesidad para el planeta. No hemos de olvidar,al igual que antes, que las células vegetales también respiran y porlo tanto liberan CO 2 . Pero no hay duda de que si conseguimos

incrementar la masa forestal del planeta reduciremos dióxido decarbono, otra cosa que eso sea efectivo frente a la producciónhumana.

Transforma la materia inorgánica en orgánica . Este es elhecho más significativo ya que sitúa a los organismos fotosintéticoscomo los recicladores de todos los ecosistemas de la Tierra. Sinellos la materia orgánica habría terminado por agotarse, pero ellosconsiguen fabricar materia orgánica de donde no hay. Son la basede todas las cadenas tróficas.

Recursos Cnice dominio público

Después de todo lo que has leído sobre la fotosíntesis y los organismosfotosintéticos, ¿qué opinas de la creencia, popular, de que es malo compartirla habitación en la que dormimos con una planta?

2.- La respiración celular, la energía de las

moléculas

Los seres vivos necesitamos materia para obtener energía esa materia puedeprovenir del exterior, es el caso de los heterótrofos o ser fabricada por ellos mismos,que sería el caso de los autótrofos .

El caso es que, una vez que tenemos glucosa, podemos poner en marcha la máquina dela respiración celular.

La respiración celular tienelugar en la mitocondria , esteorgánulo que ya conoces presenta una doble membranade manera que la membranainterna se introduce hacia lamatriz , o espacio interno,formando las crestasmitocondriales.

Es un proceso en el que lamateria orgánica se oxidatotalmente hasta CO 2 .

Para que puedas entender elsignificado de oxidación , lopodríamos considerar como algoparecido a una combustión: cuandoquemamos un trozo de madera,extraemos la energía que contiene,en este caso en forma de calor, y selibera CO 2 . Pues bien, en la

célula ocurre algo parecido, seoxidan las moléculas, se obtieneenergía , en este caso en formade ATP , y se libera CO 2 .

La respiración celular r equiere lapresencia de oxígeno en lamayoría de los casos, por lo quehablamos de respiraciónaerobia .

Imagen de Aibdescalzo para dominio público

¿Qué papel juega el oxígeno?

En parte te lo hemos explicado cuandohemos hablado de los coenzimas; eloxígeno se queda con loselectrones que liberan lasmoléculas que se oxidan y seconvierte en agua.

Algunas bacterias son capaces de llevara cabo la respiración celular enausencia de oxígeno (¡ya hablamosen el tema 2 de su metabolismo!), eneste caso hablamos de respiraciónanaerobia. Combustión.Wikipedia CC

¿Qué tipo de moléculas puede oxidar la célula para obtenerenergía?

Prácticamente todas, salvo ácidos nucleicos, pero fundamentalmenteoxida glúcidos y lípidos (las proteínas sólo en casos denecesidad).

Vamos a estudiar cómo se produce la oxidación total de unamolécula de glucosa .

Esto empieza en el citoplasma, en ausencia de oxígeno, en una rutametabólica llamada glucolisis , en la que la glucosa (6C) se convierteen dos moléculas de ácido pirúvico (3C). Se trata de un proceso deoxidación parcial, (pues no se obtiene CO 2 ).

Muchosorganismos,normalmenteunicelulares, queviven en ausenciade oxígeno, poseeneste mecanismocomo única fuentede energía, en elque de unamolécula deglucosa ,obtienen dosmoléculas de ATP.

El pirúvicooriginado en laglucolisis entra enla mitocondria y esahora cuando seiniciaverdaderamente larespiración celular.

El pirúvico es oxidadohasta acetil-CoA(se lee acetilcoenzima A), entraen una rutametabólica conocidacomo ciclo deKrebs .

Existen otrosmecanismos paraobtener acetil-CoA ;de los ácidosgrasos se obtienena través de una rutaque se conoce comoß-oxidación , que

tiene lugar en lamatriz mitocondrial.

Proyecto Biosfera

Ciclo de Krebs

En el ciclo de Krebs se produce la oxidación total de la materia orgánica , es decir seoxida la molécula de glucosa hasta obtener CO 2 , además se produce

coenzima reducido (FADH 2 y NADH)) y poco ATP (en la animación verás

que lo que se produce es GTP, que es otro nucleótido semejante al ATP, cada GTPgenera un ATP)

En este punto todos los carbonos de la molécula de glucosa se han oxidado hastaCO 2 . Los coenzimas se incorporan a la cadena transportadora de electrones

CO 2 es un desecho celular.

No te agobies con tanto nombre, solo debes saber la función del ciclo:obtener de la glucosa coenzimas reducidos para obtener más energía en lacadena transportadora de electrones .

Animación de Lourdes Luengo

Cadena transportadora de electrones

Como hemos dicho, los coenzimas reducidos liberados en el ciclo de Krebs (en laanimación los verás como NADH y FADH2) se incorporan a la transportadora de electrones .

Como muestra la imagen, la cadena transportadora de electrones consiste enu na serie de reacciones enlazadas en cascada en las que se van transfiriendolos electrones y los protones desde una molécula a otra hasta llegar alaceptor final, el oxígeno , que se reduce hasta agua (recuerda que lasmoléculas que captan electrones se reducen).

A este agua se le llama agua metabólica.

Con la siguiente animación podrás seguir paso a paso el proceso.

Proyecto Biosfera

Todo esto ocurre en la membrana interna de la mitocondria, como puedes ver en lasiguiente animación, ¡¡juega un rato!!

Animación de Lourdes Luengo

Es muy importante que no confundas, en ningún momento, la respiracióncelular con lo que vulgarmente llamamos "respirar" que no es más que laventilación pulmonar, la entrada y salida del aire de los pulmones.

De hecho la ventilación pulmonar se realiza para introducir en el organismoel oxígeno que será el aceptor final de la cadena transportadora de electronesy retirar el dióxido de carbono que se produce en el ciclo de Krebs.

La finalidad de la respiración celular es fabricar energía, pero con tantareacción no sabemos al final la cantidad de ATP que se forma. Intenta calcularlos ATP finales.

Para hacerlo consulta el siguiente enlace Rendimiento de una molécula deuna molécula de glucosa en la respiración celular y anota los resultados

H 2 O ATP CO 2

2.2- Una vía alternativa, la fermentación

Todo esto ocurre cuando hay oxígeno en la célula, pero ¿Qué pasa si no hay oxígeno?¿Qué pasa con aquellas células que viven en anaerobiosis?

En esos casos existen unas rutas alternativas, en las que no se obtiene tantaenergía , pero que pueden ser muy interesantes para el ser humano, lasfermentaciones .

Las fermentaciones ocurren cuando no se puede utilizar el oxígeno como aceptor final deelectrones y se debe usar otra molécula. Como resultado de las fermentaciones no seobtiene tanta energía ni agua, pero dependiendo del aceptor final podemos obtener algoque nos es muy útil.

Las fermentaciones son muy utilizadas en alimentación, el vino surge de la fermentacióndel mosto, así como la cerveza.

Las levaduras que se utilizan en la elaboración de muchos alimentos lo que hacen esfermentar liberando gases que hacen que aumente el volumen de la masa.

Las fermentaciones son muy utilizadas en alimentación, veamos las más importantes.

Fermentación alcohólicaFermentación láctica

Recursos Cnice Recursos Cnice

Se emplea en la fabricación del pan y en lade bebidas alcohólicas como vino, sidra ocerveza. La realizan las bacterias delgénero Saccharomyces

¿Qué se obtiene? Pues claro etanol

Se emplean en la fabricación de derivadoslácteos como el yogur. La llevan a cabo variasbacterias como las del género pero también nuestras células muscularescuando nos falta oxígeno.

Y en este caso lactato o ácido láctico