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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

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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)

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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

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CLOROFILAS  

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CAROTENOIDES  

Xantofilas

Carotenos

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Ficobilinas

Ficoeritrina

Ficocianina

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Cromatografía

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PIGMENTOS: §  ESPECTRO ÚTIL (visible 400- 700 nm)

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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

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UNIDADES FUNCIONALES: §  LOS FOTOSISTEMAS: (PSI y PSII)

–  Fotosistema I (P700) y Fotosistema II (P680)

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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

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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

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FUNDAMENTOS: §  Resonancia

La energía pasa por resonancia de unos pigmentos a otros hasta el centro de reacción

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FUNDAMENTOS:

§ Excitación electrónica

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UNIDADES FUNCIONALES: §  ATPasa

§  TRANSPORTADORES ELECTRÓNICOS

Estroma  

Espacio  intra8lacoidal  

   

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FUNDAMENTOS: •  Transporte de e- (cadena redox)

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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.

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FLUJO  “NO”  CÍCLICO  de  e-­‐    

(Fotofosforilación    acíclica)  

Esquema en Z: Ø Genera ATP y NADPH Ø Fotolísis del H2O ⇒ O2 atmosférico

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FLUJO  “NO”  CÍCLICO  de  e-­‐    

(Fotofosforilación    acíclica)  

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FLUJO  CÍCLICO  de  e-­‐    

(Fotofosforilación    cíclica)  

Esquema en D: Ø Genera solamente ATP:

§  Existe mayor requerimiento Ø  Anoxigénica

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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.

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La Hipótesis quimiosmótica de Mitchell

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FASE OSCURA ⇒ Fijación de CO2 y síntesis orgánica –  Consumo de los productos de la fase luminica (ATP y NADPH)

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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

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F. Fijación

F. Regeneración

F. Reducción

     

     

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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.

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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.

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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

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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)

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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

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ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS

1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales: §  Bacterias No sulfureas fotosíntéticas púrpuras

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ASPECTOS ECOLÓGICOS Y EVOLUTIVOS

1º FOTOSISTEMA I ⇒ Fotosíntesis anoxigénica Ej.actuales: –  Sulfobacterias fotosíntéticas verdes

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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

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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  

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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  

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LA QUIMIOSÍNTESIS

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LA QUIMIOSÍNTESIS

Grupos de organismos quimiosintéticos: §  Organismos: Todos son bacterias

§  Todos quimiolitotróficos ⇒ (QUIMIOAUTÓTROFOS) §  Transformadores ⇒ cierran los ciclos biogeoquímicos

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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

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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  )  

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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

-

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LA QUIMIOSÍNTESIS

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LA QUIMIOSÍNTESIS

B) B. Del hierro:

–  Fe+2 Fe+3 ej. Ferrobacillus

Fe2+ + 2H+ + ½ O2 Fe3+ + H2O

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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

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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  )  

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Comparación Fotosíntesis y Quimiosíntesis

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OTROS PROCESOS ANABÓLICOS

Cetogénesis

Gluconeoneogénesis

Ruta catabólica

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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

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ESQUEMA GENERAL DEL METABOLISMO

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TEST DE REPASO

TEMA 8B

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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)

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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

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¿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

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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)

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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  

 

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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).    

   

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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      

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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).

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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)    

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¿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.

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Bibliografía y páginas web

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§  Biología. 2ºBachillerato. ALCAMÍ, José. BASTERO, Juan José. FERNÁNDEZ, Benjamín. GÓMEZ DE SALAZAR, José María. MÉNDEZ, Mª Jesús. SLÖCKER Javier. Editorial SM.

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