BIOENERGÉTICA EJERCICIOS RESUELTOS DE BIOLOGÍA ENERGÍA DE LA VIDA EXAMEN ADMISIÓN UNIVERSIDAD PDF
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BIOENERGÉTICA
ENERGÍA DE LA VIDA
I. INTRODUCCIÓN
Los seres vivos necesitan materiales y energía para mantener su grado elevado de complejidad y organización, para crecer, reproducirse, moverse, reparar sus estructuras internas, responder a estímulos, sintetizar biomoléculas, etc. Dichos procesos son posibles gracias a una serie de reacciones bioquímicas que ocurren a nivel celular y que conforman el "metabolismo". Los átomos y las moléculas, de los cuales todos los organismos están formados pueden obtenerse del aire, el agua, el suelo o a partir de otros seres vivos; los organismos obtienen esos materiales (nutrientes) del medio y los incorporan en sus propias moléculas. Las plantas y algunos organismos unicelulares, captan la energía de la luz solar y la almacenan en moléculas ricas en energía; por el contrario, existen otros organismos, como animales y hongos, que no pueden realizar dicho proceso y para ello deben consumir moléculas ricas en energía contenidas en los cuerpos de otros organismos. En cualquier caso, la energía tomada se convierte en una forma de energía que el organismo puede utilizar o almacenar, para su uso posterior.
II. DEFINICIÓN
La Bioenergética es considerada una rama de la Biología, encargada específicamente de analizar los mecanismos naturales que realizan los diversos organismos para abastecerse de energía, la cual será empleada en las funciones vitales de los mismos. Esta energía es obtenida, transformada, almacenada y utilizada de manera determinada por medio de un conjunto de eventos, los cuales se realizan en el interior del organismos. Estos eventos reciben en conjunto el nombre de Metabolismo.
III. METABOLISMO
Es un proceso vital autodirigido, a través del cual, los seres vivos toman o absorben del medio ambiente : materia y energía, los que por procesos físicos y químicos son transformados e incorporados a la materia viva para renovarla y lo que no es útil, es eliminado. El metabolismo comprende 2 procesos : Anabolismo y Catabolismo.
1. ANABOLISMO : (Anabole = Elevar)
Llamado también síntesis, asimilación o fabricación. Es un proceso constructivo a través del cual, la materia viva forma moléculas más complejas a partir de otras, más sencillas.
Es un proceso típicamente "endergónico" (Endo = interior; ergo = energía) porque consume la energía necesaria para que las moléculas sencillas reaccionen.
Ejm : Síntesis de proteínas a partir de aminoácidos, polimerización de polisacáridos a partir de monosacáridos, etc.
2. CATABOLISMO : (Catabole = Derribar)
Llamado también degradación o desasimilación. Es un proceso bioquímico de tipo destructivo, caracterizado porque se forman moléculas sencillas a partir de otras más complejas. Es un proceso típicamente "exergónico" (Exo = exterior; ergo = energía) porque como consecuencia de la ruptura de enlaces químicos, se libera energía indispensable para las múltiples actividades de la materia viva.
Ejm : Degradación de proteínas, lípidos, glúcidos, etc.
IV. ADENOSINA TRIFOSFATO (ATP)
El ATP, es una ergomolécula (molécula energética), la cual se forma por la unión de una molécula de Adenosina (nucleósido) con 3 moléculas de Ácido fosfórico. Los enlaces que existen entre las moléculas de Ácido fosfórico son de alta energía (7300 calorías por mol).
La unión ~P de alta energía, permite a la célula acumular una gran cantidad de energía en muy pequeños espacios y tenerla lista para ser usada tan pronto como se le necesite.
El "ATP" es llamado molécula energética celular y es usado en todas las actividades de la materia viva.
Los seres vivos utilizan tanto "ATP" que la vida media de cualquier molécula de ATP es muy corta.
Por ejm: Un corredor de 100 mt planos puede utilizar casi hasta medio kilogramo de ATP por minuto cuando realiza una competencia determinada.
FOTOSÍNTESIS
(Photos = Luz ; Síntesis = Poner junto)
I. IMPORTANCIA BIOLÓGICA
Es un proceso vital que ocurre en la naturaleza, radicando su importancia en lo siguiente. Permite la supervivencia de la mayoría de organismos del planeta por medio de la liberación del oxígeno atmosférico ().
Constituye el proceso más importante en la fabricación o síntesis de biomoléculas orgánicas que forman parte fundamental dentro de la materia viva.
La fotosíntesis constituye necesariamente el punto de partida de todas las cadenas tróficas (cadenas alimenticias), lo que hace posible la transferencia de energía de un ser vivo a otro.
II. DEFINICIÓN
La Fotosíntesis es un proceso bioquímico de tipo "anabólico, es decir, constructivo a través del cual, moléculas más sencillas como agua y anhidrido carbónico, reaccionan para formar moléculas más complejas como glucosa. Es un proceso "endergónico" porque consume energía, la cual proviene de la luz (energía física).
III. ECUACIÓN GENERAL
El es la fuente de carbono y el agua el agente reductor que aporta los hidrógenos para la biosíntesis de glúcidos, obteniéndose oxígeno como subproducto.
IV. CARACTERÍSTICAS
* El objetivo de la fotosíntesis es transformar la energía física de la luz (Fotones) en energía química (enlaces químicos de tipo covalente presentes en la glucosa).
* La fotosíntesis es realizada por algunos seres vivos como : ciertas bacterias, algas y plantas, ya que ellos poseen pigmentos con capacidad para absorver la energía de la luz, siendo el pigmento fotosintético más importante la clorofila.
* Las algas por su diversidad y cantidad son los seres vivos que mayor porcentaje de fotosíntesis realizan en el planeta.
* Particularmente, en los vegetales, la fotosíntesis se realiza específicamente en unas organelas llamadas cloroplastos.
* Comprende 2 fases : fase luminosa y fase oscura.
V. ELEMENTOS PARTICIPANTES :
A. LUZ :
El proceso fotosintético se inicia con la absorción de la energía electromagnética de la luz, proveniente básicamente del sol; esta energía es captada por los pigmentos fotosensibles, especialmente de las clorofilas. Se sabe que cuando se proporciona energía a los electrones de un átomo estos pasan a nuevos orbitales de mayor energía, y al regresar a su orbital inicial, liberan la energía almacenada durante su trayectoria. Esto explica cómo la clorofila atrapa energía en sus electrones y saltando estos a órbitas alejadas del núcleo, pudiendo perderse y dejar ionizado al átomo para luego, recepcionar electrones que le son abastecidos por el agua.
B. PIGMENTOS :
Durante el proceso fotosintético participan 3 tipos de pigmentos importantes : Clorofilas, Carotenoides y Ficobilinas, siendo su función proporcionar el sistema adecuado de absorción de energía luminosa.
* Clorofilas : Son moléculas asimétricas conformadas por la zona hidrofílica y otra hidrofóbica. La región hidrofílica está representada por 4 núcleos o anillos pirrólicos unidos entre sí formando una porfirina, incluyendo un átomo de "Mg" unido a los 4 núcleos. Mientras que la región hidrofóbica contiene una larga cadena de Fitol unida a uno de los anillos. Existen varios tipos de clorofila, siendo las más representativas la Clorofila "a" y la Clorofila "b", cuya diferencia se encuentra en el radical que poseen a nivel de uno de los núcleos pirrólicos (en la clorofila "b" el grupo "CHO" reemplaza al grupo de la clorofila "a").
Cada tipo de clorofila absorve luz a diferentes longitudes de onda , así tenemos a los 2 fotosistemas presentes en las membranas de los tilacoides : El PSI y el PSII (.
* Pigmentos accesorios : Estos pigmentos en las plantas y algas verdes pueden proteger a la Clorofila de la decoloración. A la vez, pueden actuar como absorventes secundarios de luz, y ayudar a la transferencia de energía. El papel absorvente puede ser importante en las algas rojas y bacterias fotosintetizantes. Dentro de los principales pigmentos accesorios tenemos :
Carotenoides : Son los pigmentos accesorios más importantes que se encuentran en todos los organismos fototrofos, siendo el Caroteno el más frecuente. Están formados por largas cadenas Hidro carbonadas con enlaces simples y dobles alternados en una disposición llamada "Sistema de dobles enlaces conjugados". Son en general de color amarillo, rojo, marrón y absorven la luz en la región azul del espectro electromagnético.
Ficobilinas : Su distribución es más limitada, encontrándose en algas rojas (rodofitas) y algas azul - verdosas (cianobacterias).
Estos pigmentos presentan color rojo o azul y son cadenas tetrapirrólicas abiertas acoplados a proteínas. Dentro de ellos podemos encontrar a la ficoeritrina (rojo) que presenta absorción máxima, de luz a longitudes de ondas próximas a 550 nm; y a la ficocianina (azul) que presenta absorción máxima de luz a 620 nm.
La función concentradora de luz de los pigmentos accesorios, constituyen una ventaja para el organismo. La luz solar se distribuye por todo el rango del espectro visible, pero, las clorofilas sólo absorven bien en una parte de este espectro. Con los pigmentos accesorios el organismo es capaz de capturar más luz.
C. AGUA :
La absorción de agua sirve para proporcionar agentes reductores (H) que reaccionen para la asimilación del anhídrido carbónico y de un agente oxidante (OH) considerado como precursor del oxígeno molecular . Este evento se denomina : Fotólisis del agua.
D. ANHIDRIDO CARBÓNICO :
El que intervienen en la fotosíntesis, proviene de muchas fuentes, la principal, es el resultado de metabolismo de los organismos heterótrofos. Dicho , constituye la fuente o fabricación de los compuestos orgánicos (principalmente glucosa). Las plantas desarrollan mejor en una atmósfera que contenga mucho .
E. TRANSPORTADORES DE ELECTRONES :
En la fotosíntesis de la energía luminosa se convierte en energía química bajo la forma de ATP y NADPH. Dichos procesos reciben el nombre de Fotofosforilación y Fotoreducción respectivamente, y se dan gracias a la energía desprendida de los electrones presentes en los fotosistemas. Estos electrones viajan a través de una Cadena Transportadora formada por una serie de moléculas transportadoras de electrones ubicadas en las membranas tilacoidales del cloroplasto. Las más importantes moléculas proteícas transportadoras de electrones son : Los citocromos, las plastoquinonas, las plastocianinas y las ferredoxinas.
F. LAS ENZIMAS :
Estas moléculas son muy importantes, debido a que aceleran las reacciones bioquímicas que ocurren tanto en la fase luminosa (que sucede en la membranas de los tilacoides) como en la fase oscura (que se da en el estroma del cloroplasto).
Un ejemplo lo constituye la enzima "ATP sintetasa", la cual es una molécula proteica que contiene 2 porciones :
La porción CFo (hidrofóbica) y la CF1 (hidrofílica). La porción CFo forma un canal que permite el pasaje de protones a través de la membrana del tilacoide. Y la porción CF1, se encarga de producir ATP a partir de ADP más fósforo inorgánico (Pi), usando el gradiente protónico proporcionado por el transporte de electrones.
V. FASES :
Estudios preliminares han revelado que el proceso de fotosíntesis, se desarrolla en los cloroplastos, organela, donde ocurren 2 importantes procesos :
* Conversión de la energía luminosa en energía química.
* Conversión del carbono inorgánico en moléculas orgánicas.
Este proceso nos permite conocer 2 fases :
A. FASE LUMINOSA : (Rx. de Hill o Rx. Fotoquímica)
- Este proceso se realiza en las granas del cloroplasto, específicamente, en la membrana del tilacoide.
- Utiliza directamente la energía física de la luz bajo la forma de "fotones".
- Intervienen 2 fotosistemas llamados : PS I y PS II.
- Comprende un conjunto de reacciones bioquímicas, las cuales se han dividido en las siguientes etapas :
- Fotoexcitación del PS I : Los fotones provenientes de la luz, llegan a "PS I", atacan su clorofila, quien pierde un electrón quedando dicha clorofila en un estado de excitación. El PS I, capta longitudes de onda equivalente a 700nm presentando clorofila "a", clorofila "b", clorofila "P700" y carotenos. Así mismo, estefotosistema tiene como aceptor de electrones el "aceptor Z", a la ferredoxina y al FAD. Como donador de elecrones está la plastocianina del fotosistema II.
- Fotoexcitación del PS II : De igual manera en forma simultánea, los fotones de la luz llegan al PS II, atacan a su clorofila, la cual pierde un electrón, quedando en estado excitado. El PS II, capta longitudes de onda de 680nm, presentando clorofila "a", clorofila "b", clorofila "P680", ficoeritrina, ficocianina y xantófila. Así mismo, el PS II tiene como aceptor de electrones al "aceptor Q", a la plastoquinona, al citocromo "b3", citocromo "F" y plastocianina. Como donador de electrones está el agua.
El electrón del PS II se dirige hacia el PS I, cuya clorofila capta dicho electrón y de esa manera se estabiliza.
- Fotofosforilación : (Fabricación de ATP)
En su ruta de desplazamiento, el electrón del PS II libera energía; la cual permite reaccionar al ADP con un fosfato, formándose ATP, el cual será utilizado en la fase oscura para la síntesis de compuestos orgánicos. Este evento se lleva a cabo gracias a una enzima llamada "ATP sintetasa" presente en la membrana del tilacoide. Esta enzima contiene una porción CFo que forma un canal de protones, y a la vez, contiene otra porción (Factor de acoplamiento), la cual sintetiza el ATP a partir de ADP y Pi (Fósforo inorgánico). Usando el gradiente protónico proporcionado por el transporte de electrones.
Este mecanismo de síntesis de ATP fue propuesto por primera vez en 1961, por el bioquímico inglés Mitchell, quién la llamó Quimiósmosis. La Quimiósmosis ha mostrado ser el mecanismo de generación de ATP en los cloroplastos, mitocondrias y bacterias. Por su brillante hipótesis, Mitchell, recibió el Premio Nobel en 1978.
- Fotólisis del Agua : (Destrucción del Agua)
Hacia el PS II llega mayor cantidad de energía y el diferencial energético, va atacar al agua formándose.
- Un electrón, el cual es captado por la clorofila del PS II, la cual de esa manera se estabiliza.
- Oxígeno, que es liberado a la atmósfera.
- Hidrógeno, que se van a unir con el "NADP".
- Este hecho se produce en la parte interna de la membrana del tilacoide.
- Fotorreducción : Los hidrógenos que provienen del agua, se unen al NADP; formándose así, (reducido) y la energía para dicha reacción la proporciona el electrón de la clorofila del PS I. El se utiliza en la fase oscura. Este paso se produce en la parte externa de la membrana del tilacoide.
B. FASE OSCURA : (Rx de Blackman o Rx Termoquímica)
- Este proceso se realiza en el estroma del cloroplasto.
- No depende directamente de la luz, pero sí de la fase luminosa, porque utiliza moléculas producidas en dicha fase (ATP y ).
- Comprende un conjunto de reacciones bioquímicas, las cuales forman un circuito llamado : Ciclo de Calvin, el cual comprende las siguientes etapas :
- Activación de la Ribulosa Fosfato :
La activación se realiza mediante un proceso de fosforilación (La ribulosa capta fosfato) formándose así Ribulosa Difosfato. Para este proceso se usa el ATP formado en la fase anterior.
- Fijación del Anhidrido Carbónico :
La ribulosa difosfato se combina con el atmosférico para formar un compuesto de 6 átomos de carbono muy inestable. Este compuesto reacciona espontáneamente con el agua para formar 2 moléculas de Ácido Fosfoglicérico.
- Síntesis de Fosfogliceraldehído :
En una serie de reacciones químicas catalizadas por enzimas, la energía donada por el ATP y el (producida en la fase luminosa) se utiliza para convertir Ácido Fosfoglicérico en Fosfogliceraldehído.
- Obtención de biomoléculas orgánicas :
A partir de la formación del fosfogliceraldehído, suceden una serie de reacciones bioquímicas para dar origen a la glucosa, aminoácidos, ácidos grasos y otras moléculas orgánicas.
- Regeneración de la ribulosadifosfato :
Una parte de los fosfoglicerladehidos que se han producido, se utilizan para producir nuevamente (regenerar) más moléculas de Ribulosa Difosfato, las cuales darán inicio nuevamente al "Ciclo de Calvin". Sin esta última etapa, no sería posible otro ciclo de Calvin.
RESPIRACIÓN CELULAR
I. INTRODUCCIÓN
Cuando un colibrí extrae el néctar de una flor, se come los productos de la fotosíntesis. La fotosíntesis en las hojas de las plantas ha convertido la energía de la luz solar en energía química de las moléculas orgánicas que forma el azúcar del néctar. Para cubrir sus necesidades energéticas, el colibrí debe comer cada día su peso en néctar, por eso, sus células deben extraer de manera eficiente, la energía a partir de la glucosa en el néctar.
Cuando las células del colibrí rompen las moléculas de glucosa de alta energía en presencia de oxígeno, obtienen moléculas de baja energía (Bióxido de carbono y agua), con las que la planta inició la producción de energía que ahora está disponible para sus músculos y su crecimiento. Por otro lado, las células del colibrí no pueden utilizar directamente la energía química obtenida de este proceso. Los músculos de sus alas necesitan la energía almacenada en forma de moléculas de ATP. Su cerebro utiliza ATP para la conducción de señales nerviosas y sus ovarios utilizan ATP para la producción de huevos. La planta, por su parte, utiliza ATP, para producir los pétalos, pigmentos, la fragancia que atrajo al pájaro, las hojas y las moléculas de clorofila que capturaron la energía solar. En este tema analizaremos los procesos metabólicos mediante los cuales, los organismos convierten la energía de las moléculas orgánicas en energía utilizable en forma de ATP, proceso llamado respiración celular.
II. DEFINICIÓN :
La respiración celular es un proceso bioquímico de tipo catabólico (destructivo) a través del cual, moléculas complejas como la glucosa se degradan para formar otras más simples como agua y anhidrido carbónico.
Es un proceso típicamente exergónico porque libera energía en forma de ATP, que es indispensable para las múltiples actividades de la materia viva (ser vivo).
Ecuación General :
Esta ecuación representa a la respiración aeróbica, debido a que utiliza oxígeno, el cual actúa como agente oxidante de los compuestos orgánicos, quedando éstos posteriormente en la condición de compuestos inorgánicos, consiguiéndose una dosis de energía.
III. TIPOS DE RESPIRACIÓN
Respiración Anaeróbica : (Sin )
A. Definición : Es la forma más simple y primitiva en la producción de ATP. Se denomina anaeróbica porque no hace uso del oxígeno, aunque en el medio ambiente esté presente. Este tipo de respiración caracteriza a organismos como : bacterias y hongos. Pero puede presentarse en plantas y animales que han sido sometidos a ambientes sin oxígeno.
B. Etapas :
B.1 Glucólisis : ("Destrucción de la glucosa")
Es un proceso que ocurre dentro del citoplasma de la célula (citosol) y no requiere oxígeno porque es eminentemente anaeróbico.
Suceden los siguientes hechos :
* El primer paso va a ser la transformación de la glucosa en una molécula de fructosa difosfato (fosforilación de la glucosa). Dicho proceso ocurre gracias al consumo de 2 moléculas de ATP (2ATP).
* Luego, gracias a la acción de una enzima, la fructosa difosfato (FDP) se convierte en dos moléculas de fosfogliceraldehido (2 PGAL).
* Inmediatamente después, las 2 moléculas de "PGAL" pasan por una serie de reacciones químicas y se convierten en 2 moléculas de Ácido Pirúvico (Piruvato). En dicho proceso de transformación (de PGAL hasta Piruvato), se liberan 4 moléculas de ATP (4 ATP) y se generan 2 moléculas de (2).
* En conclusión : en la glucólisis existe una ganancia neta de 2 ATP y 2 (transportador de electrones).
B.2 Reducción del Piruvato : ("Fermentación")
Es un proceso conocido como fermentación, el cual, también se realiza en el citosol de la célula y se caracteriza porque los hidrógeno del son captados por los piruvatos para producir una molécula determinada llamada producto final. Según los productos finales que forman los piruvatos reducidos, se conocen 2 clases de fermentación :
* Fermentación Láctica : Cuando el producto final se llama Ácido Láctico (Lactato) y cuya acumulación en los animales es responsable de la contracción muscular violenta llamado "calambre". Diversos microorganismos también utilizan la fermentación del ácido láctico, incluyendo las bacterias que producen yogurt, queso y crema ácida. El ácido láctico es el que contribuye al sabor de estos alimentos.
* Fermentación Alcohólica : Cuando el producto es el etanol y el anhidrido carbónico . Este proceso es muy usado también por muchos micoorganismos, entre ellos ciertas levaduras, las cuales son empleadas en las industrias de la cerveza, ron, vino, whisky, etc. Por ejm : Los vinos espumosos como la champaña, son embotellados mientras los hongos están vivos y fermentando muy felices, atrapando tanto el alcohol como el . Cuando se quita el corcho, se libera el , que en ocasiones, sale de manera bastante explosiva.
Respiración Aeróbica : (Con )
A. Definición : Es la forma más evolucionada y compleja en la producción de ATP.
Este proceso es realizado por los organismos aeróbicos, es decir, utilizan el oxígeno molecular durante su metabolismo, obteniendo energía para satisfacer sus requerimientos energéticos en cada actividad que realice el organismo.
B. Etapas :
B.1 Glucólisis : (Destrucción de la glucosa)
Es un proceso que ocurre en el citosol de la célula y consiste en la degradación de la glucosa hasta ácido Pirúvico (Piruvato).
Este proceso es eminentemente anaeróbica, pues, aunque en el ambiente haya oxígeno, no lo utiliza. Por otro lado, los hechos que suceden en dicho proceso son exactamente los mismos que se mencionaron en la respiración anaeróbica, es decir, existirá una ganancia neta de 2 ATP y formación de 2 (transportador de electrones).
B.2. Formación de Acetilcoenzima "A" :
Los piruvatos que se han formado en la glucólisis (2 piruvatos), ingresan a la matriz mitocondrial (mitocondria) para participar en el siguiente proceso llamado Ciclo de Krebs. Pero, estos piruvatos no pueden ingresar al Ciclo de Krebs bajo esa forma, tienen que transformarse en una molécula más pequeña llamada Acetilcoenzima "A" ("acétilco A"). En dicho proceso de transformación de "Ácido pirúvico" hasta "Acetilco A", se va a producir una molécula de (transportador de electrones) y una molécula de . Pero, como se han generado 2 moléculas de Ácido Pirúvico a partir de 1 molécula de glucosa, entonces, aquí, se formarán netamente : 2 moléculas de (2), y 2 moléculas de .
B.3. Ciclo de Krebs : (Ciclo del Ácido Cítrico)
Este proceso recibe el nombre de ciclo del Ácido Cítrico y se realiza en la matriz mitocondrial. Consiste en una serie de reacciones bioquímicas y degradativas que traen como consecuencia la generación de varios productos finales. Dichos productos finales son : 3 moléculas de (3 ), 1 molécula de (1 ), 1 molécula de ATP (1 ATP) y 2 moléculas de (2 ).
Pero, recuerda : que todos estos productos provienen a partir de la degradación de la molécula de Ácido Pirúvico, y como son 2 moléculas de Ácido Pirúvico, entonces los productos finales se duplicarían : , , 2 ATP y .
B.4 Cadena Respiratoria : (Transporte de electrones y fosforilación oxidativa).
Hasta este momento, la célula ha ganado sólo 4 moléculas de ATP a partir de la molécula de glucosa original : 2, durante la glucólisis y 2, durante el ciclo de Krebs.
Sin embargo, la célula ha capturado muchos electrones energéticos que se localizan en las siguientes moléculas: y .
Todos los y , que hasta ahora se han producido, se dirigen a las crestas mitocondriales para participar en los dos últimos procesos llamados : transporte de electrones y fosforilación oxidativa. Estos 2 procesos están acopiados y trabajan simultáneamente dentro de la Cadena respiratoria.
Es decir, las moléculas de y que contienen electrones, se dirigen hacia la cadena transportadora de electrones (cadena respiratoria) y liberan sus electrones. Estos electrones recorren toda la cadena respiratoria y a medida que se desplazan producen moléculas de ATP. La cantidad de moléculas de ATP que se producen, depende de la cantidad de electrones que se desplazan a lo largo de la cadena respiratoria. Y es así que por cada que llega, se produce 3 ATP; y por cada que llega, se producen 2 ATP.
Como, hasta el momento se han producido 10, entonces habrán 30 ATP. Y como también, hasta el momento se han producido 2, habrán 4 ATP. Todo esto hace una ganancia neta, en esta etapa, de 34 ATP.
