METABOLISMO ANABOLISMO RUTAS ANABLICAS GLUCONEOGNESIS Citosol En mamferos

METABOLISMO: ANABOLISMO

RUTAS ANABÓLICAS GLUCONEOGÉNESIS: • Citosol. • En mamíferos en hígado y contribuye a mantener el nivel de glucosa en sangre, única fuente de energía para 1. 1 eritrocitos o células cerebrales. A. glúcidos GLUCOGENOGÉNESIS: • En hígado y músculo. 1 Comunes a autótrofos y heterótrofos RUTAS ANABÓLICAS 1. 2 A. lípidos 1. 3 A. proteínas 2. 1 Exclusivas de autótrofos 2 Fotosíntesis 2. 2 Quimiosíntesis Triglicéridos: • Citosol. Aminoácidos: • Citosol.

FOTOSÍNTESIS: introducción (I) • • 1. 2. 3. 4. Proceso anabólico de nutrición autótrofa por el que se forma materia orgánica al reducirse materia inorgánica, se utiliza la energía luminosa captada por pigmentos. Se lleva a cabo en: Cloroplastos de eucariotas (plantas y algas) Tilacoides de cianobacterias, en cuya cara externa hay unas estructuras proteicas llamadas ficobilisomas. Cromatóforos, invaginaciones de la membrana de bacterias rojas del azufre. Clorosomas, vesículas de envuelta proteica de bacterias verdes del azufre. Papel biológico: 1. La primitiva atmósfera terrestre reductora cambia a oxidante. 2. Liberación de oxígeno que permite la respiración aerobia. 3. Eliminación de CO 2 atmosférico al que se debe el efecto invernadero. 4. Síntesis de materia orgánica que constituye la base de los ecosistemas. 5. Energía almacenada en combustibles fósiles como el carbón.

FOTOSÍNTESIS: introducción (II) ficobilisomas Clorosomas Cromatóforos

TIPOS DE FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA 6 CO 2 + 6 H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 602 FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA CO 2 + 2 H 2 S → CH 2 O + 2 S 1. H 2 O dadora de hidrógenos (electrones y protones). 2. CO 2 como aceptor. 3. Se desprende O 2 como consecuencia de la fotólisis del H 2 O. 4. Vegetales, algas y cianobacterias. 5. Intervienen dos fotosistemas y hay dos fases, cíclica y acíclica. 1. Dadores de hidrógenos (electrones y protones) compuestos como el ácido sulfhídrico o el láctico, NO el H 2 O. 2. CO 2 , nitratos y sulfatos como aceptores. 3. No liberación de O 2. 4. En bacterias rojas del azufre y bacterias verdes del azufre. 5. Interviene el fotosistema I y hay una fase, cíclica.

VISIÓN GENERAL DE LA FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA Etapas del proceso fotosintético: 1. Absorción y conversión de la energía luminosa (“fase luminosa”), para producir NADPH y ATP, que se utilizarán en la fase oscura. Se lleva a cabo en la membrana tilacoidal y en ella intervienen los fotosistemas, la cadena de transporte electrónico y la ATP -asa: a) Captura de la energía de la luz (1*) b) Cadena de transporte electrónico: • No cíclico (2*). • Cíclico (3*). c) Fotofosforilación acíclica (2*) y cíclica (3*). 2. Fijación del CO 2 y biosíntesis de fotoasimilados (“fase oscura”): Ciclo de Calvin (4*).

(1*) ABSORCIÓN Y CONVERSIÓN DE LA ENERGÍA LUMINOSA (“fase luminosa”): - Captura de la energía de la luz (Fotosistemas) Centro de reacción Antena Fotón Transferencia de energía e- Aceptor de electrones Moléculas de pigmento diana Los fotosistemas se encuentran en la membrana de los tilacoides y están formados por: 1. Complejo antena, constituido por pigmentos (clorofila a y b, carotenos y xantofilas). 2. Centro de reacción con la clorofila diana, el primer aceptor de electrones y el primer dador.

PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS : A) Clorofila a y b B) α y β caroteno

FOTOSISTEMAS: COMPLEJO ANTENA Y CENTRO DE REACCIÓN (II) Funcionamiento: • Los pigmentos del complejo antena poseen electrones libres, que son excitados con la energía de la luz (fotones) y saltan a niveles energéticos superiores. Cuando vuelven a su nivel original ceden la energía que va pasado así de unos a otros gracias a su proximidad, desde los pigmentos que captan menor longitud de onda hasta el que presenta un máximo de absorción llamado pigmento diana que forma parte del centro de reacción. • El pigmento diana cede electrones (hasta aquí se transfería energía no electrones), es decir, se oxida. Los transfiere a una primer aceptor que se los cederá a una molécula externa al fotosistema. Además existe un primer dador de electrones que repone los que el pigmento diana pierde.

FOTOSISTEMAS I Y II • FOTOSISTEMA I (PS I): 1. 2. 3. 4. 5. Abundante en los tilacoides intergrana. Pigmento diana: clorofila P 700 (máximo de absorción de 700 nm) Funciona tanto en la fase cíclica como acíclica. Los electrones pasan a una cadena de transporte electrónico, destacando la ferredoxina y el NADP+. Los electrones los repone la plastocianina del PS II. • FOTOSISTEMA II (PS II): 1. 2. 3. 4. 5. Abundante en los tilacoides grana. Pigmento diana: clorofila P 680 (máximo de absorción de 680 nm) Funciona solo en la fase acíclica. Los electrones pasan a una cadena de transporte electrónico destacando la plastoquinona, citocromo b 6 -f y la plastocianina, que conecta ambos fotosistemas. Los electrones los repone el agua.

(2*) C. T. E. : FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA (I) Estroma Espacio tilacoidal Transporte no espontáneo de electrones desde el H 2 O al NADP+, se necesita la energía de la luz captada por los pigmentos de los fotosistemas I y II, acoplados a la cadena: 1. El electrón cedido por la clorofila P 680 del PS II pasa al primer aceptor de electrones del PS II que se reducirá. Desde él pasará a la c. t. e. a través de una serie de transportadores electrónicos y reacciones de oxidación-reducción, destacando (en orden) la plastoquinona, el citocromo b 6 -f y la plastocianina. 2. La plastocianina sirve de nexo con el PS I, pues sus electrones llegan a la clorofila P 700, siendo necesaria la energía de la luz para excitar a estos electrones que pasarán al primer aceptor del PS I. 3. Desde éste pasan a otra c. t. e. entre cuyas moléculas destaca la ferredoxina que finalmente se oxidará cediendo los electrones al NADP+ que se reducirá a NADPH + H+ (toma los H+ del estroma) 4. Los electrones cedidos al principio por la Cl P 680 del PS II son repuestos por la fotólisis del agua: H 2 O → 2 H + + 2 e - + ½ O 2 Oxígeno residual (se necesitan 4 fotones para liberar una molécula de O 2) 5. El citocromo b 6 -f aprovecha la energía desprendida en la transferencia de electrones para introducir H + del estroma al espacio tilacoidal. Se crea un gradiente que será utilizado por la ATP-asa para la síntesis de ATP o fotofosforilación acíclica según la hipótesis quimiosmótica (semejante a la de la respiración en mitocondria)

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO: FASE ACÍCLICA (II) En resumen, en el transporte acíclico: 1 Fotólisis del agua: H 2 O → 2 H+ + 2 e - + ½ O 2 2 Producción de poder reductor: NADP+ + 2 e- + 2 H+ → NADPH + H+ 3 Fotofosforilación acíclica: ADP + Pi → ATP

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO: FASE ACÍCLICA (III), ESQUEMA EN “Z” El transporte de electrones en la fase acíclica desde el agua al NADP+ se puede dividir en 3 segmentos representados mediante el “esquema en Z”: • Segmento 1: reducción del NADP+ Un fotón incide sobre el PSI y llega a la Cl P 700 que cede electrones a través de una c. t. e. en la que destaca la Fd. Los electrones llegan al NADP+ que se reduce a NADPH + H+ • Segmento 2: la Cl P 700 recupera electrones El PSII es excitado por la luz, de modo que su Cl P 680 cede electrones y a través de otra c. t. e. con Pq, Cit b 6 -f y Pc, repone los electrones de la Cl P 700 del PSI. • Segmento 3: la Cl P 680 recupera electrones El PS II a su vez recupera los electrones con la fotólisis del agua, liberándose además H+ al espacio tilacoidal y O 2 a la atmósfera.

(3*) CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO: FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA • • En resumen en el transporte cíclico: 1. Funciona solo el PS I 2. No hay fotolisis de agua. 3. No se desprende oxígeno. 4. No se produce NADPH 5. El único proceso que ocurre es la fotofosforilación. Los electrones procedentes de la Cl P 700 del PSI que llegan a la ferredoxina son transferidos directamente al citocromo b 6 -f, de aquí a la Pc que lo devuelve a la Cl P 700. Al mismo tiempo el citocromo b 6 -f genera otro bombeo de H+ hacia el espacio tilacoidal, creando un gradiente aprovechado por la ATP-asa para sintetizar ATP según la hipótesis quimiosmótica, fotofosforilación cíclica. Se produce: • Cuando hay poco NADP+ • También en fotosíntesis anoxigénica.

CADENA DE TRANSPORTE ELECTRÓNICO: FASE CÍCLICA Y ACÍCLICA (DIAGRAMA EN Z)

COMPARACIÓN TRANSPORTE CÍCLICO Y ACÍCLICO FASE LUMINOSA ACÍCLICA 1 FOTÓLISIS DEL AGUA H 2 O → ½ O 2 + 2 3 FASE LUMINOSA CÍCLICA 2 H+ + 2 e- SE DESPRENDE O 2 FOTORREDUCCIÓN DEL NADP+ 1 NO FOTÓLISIS DEL AGUA 2 NO SE DESPRENDE O 2 3 NO SE PRODUCE NADPH + H+ 4 SOLO PARTICIPA EL PS I 5 FOTOFOSFORILACIÓN DEL ADP NADP+ + 2 H+ + 2 e- → NADPH + H+ 4 5 PARTICIPAN EL PS I Y II FOTOFOSFORILACIÓN DEL ADP + Pi → ATP + H 2 O 6 GRADIENTE DE H+ POR EL CITOCROMO B 6 -F Y POR LA FOTÓLISIS DEL AGUA 6 GRADIENTE DE H+ POR EL CITOCROMO B 6 -F

(4*) FIJACIÓN DEL CO 2 Y BIOSÍNTESIS DE FOTOASIMILADOS (“FASE OSCURA”): CICLO DE CALVIN (I) 2 1 3 • También necesita luz para activar enzimas. • El ATP y NADPH generados en la “fase luminosa” son utilizados para fijar y reducir el CO 2 y sintetizar compuestos orgánicos mediante el ciclo de Calvin, en el estroma de los cloroplastos.

CICLO DE CALVIN (II) Tres fases: 1. Fase carboxilativa (reacción 1 del ciclo): el CO 2 se fija a una molécula de 5 C, la ribulosa 1, 5 -difosfato, formándose un compuesto inestable de 6 C que se divide en 2 moléculas de ácido 3 -fosfoglicérico (PGA), reacción catalizada por el enzima ribulosa 1, 5 -difosfato carboxilasa oxidasa (RUBISCO, enzima más abundante de la naturaleza) Ribulosa 1, 5 difosfato + CO 2 2 ácido 3 -fosfoglicérico 1. Fase reductiva (reacciones 2 y 3): el ácido 3 -fosfoglicérico se reduce a gliceraldehído 3 -fosfato (PGAL), utilizándose el ATP y NADPH producidos en la “fase luminosa”. 2 ácido 3 -fosfoglicérico + 2 NADPH + 2 ATP 2 gliceraldehído 3 -fosfato + 2 NADP+ + 2 ADP + 2 Pi 1. Fase regenerativa y sintética (resto de reacciones): parte del PGAL se utiliza para regenerar la ribulosa 1, 5 -difosfato, volviéndose a gastar ATP. Otra parte se utiliza para la síntesis de glúcidos, aminoácidos y ácidos grasos ya fuera del ciclo. Ribulosa 5 -fosfato + ATP ribulosa 1, 5 -difosfato + ADP

CICLO DE CALVIN (III)

REACCIÓN GLOBAL/FASE LUMINOSA: • 12 H 2 O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi → 602 + 12 NADPH + 12 H+ +18 ATP • FASE OSCURA: 6 CO 2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP → C 6 H 12 O 6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 Pi + 6 H 2 O

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA INTENSIDAD FOTOSINTÉTICA (I) La intensidad o rendimiento fotosintético se mide por el CO 2 absorbido o el O 2 desprendido. Está influido por: Al ↑ intensidad 1 Concentración de CO 2 Intensidad luminosa ↑ intensidad 2 fotosíntética hasta un máximo debido a que la [CO 2] se convierte en factor limitante, se dice que la planta está lumínicamente saturada. Límite característico de cada especie: 1. Heliófilas, precisan mayor iluminación. Si ↑ [CO 2] ↑ intensidad 2. Esciófilas precisan fotosíntética hasta saturación menor iluminación. de RUBISCO 3 Color de la luz Las plantas utilizan radiación cuya longitud de onda esté comprendida entre 400 (azul) y 700 nm (rojo) (espectro visible) aunque por encima de 680 nm el PS II no actúa, solo se produce la fotofosforilación cíclica con lo que ↓ la intensidad fotosintética 4 Humedad Al ↓ humedad, se cierran los estomas para evitar pérdidas, ↓ intercambio de gases luego ↓ intensidad fotosintética.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA INTENSIDAD FOTOSINTÉTICA (II) 5 Temperatura 6 Al ↑ temperatura ↑ intensidad fotosíntética hasta desnaturalización de enzimas, el máximo rendimiento corresponde con la temperatura óptima característica de cada especie. Concentración de O 2 Al ↑ [O 2] ↓ la intensidad fotosintética pues el O 2 actúa como inhibidor competitivo de la reacción 1 del ciclo de Calvin (fijación de CO 2). se favorece la fotorrespiración (1*)

(1*) FOTORRESPIRACIÓN La RUBISCO puede realizar dos acciones sobre la ribulosa 1, 5 difosfato: 1. Fijación de CO 2 (carboxilación) y consiguiente ciclo de Calvin. 2. Fijación de O 2 (oxidación), fotorrespiración en la que se necesita luz, se consume O 2 y se produce CO 2. Intervieniendo tres orgánulos, cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias. Se produce en días calurosos y secos, la planta cierra los estomas para no perder humedad cumulándose el O 2 de la fotosíntesis.

PLANTAS C 4 • • Solventan los efectos negativos de la fotorrespiración mediante la vía C 4 o ruta de Hatch-Slack. Aumentando la [CO 2] respecto a la de O 2 Las plantas C 3 producen gliceraldehído 3 -fosfato (3 C) en el ciclo de Calvin, fijan el CO 2 en las células superficiales (mesófilo). Mientras que en las C 4 en el mesófilo se produce ácido oxalacético con 4 C al fijar el CO 2 al fosfoenolpirúvico. Este pasa a malato que transporta el CO 2 hasta las células más cercanas al haz (con menos estomas que el envés y por lo tanto menos [O 2] ) que dispondrán de él para el ciclo de Calvin.

PLANTAS CAM • • Separan la fijación del CO 2 y el ciclo de Calvin en el tiempo en vez de en células diferentes como las C 4. Abren los estomas sólo de noche fijando el CO 2 al oxalacético como las C 4 y durante el día los cierran y el CO 2 entra en el ciclo de Calvin.

COMPARACIÓN C 3, C 4, CAM

COMPARACIÓN FOSFORILACIÓN OXIDATIVA/FOTOFOSFORILACIÓN OXIDATIVA FOTOFOSFORILACIÓN SEMEJANZAS FINALIDAD Síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. PROCESO FOSFORILATIVO Hipótesis quimiosmótica: la ATP-asa cataliza la fosforilación utilizando la energía cedida por los H+. DIFERENCIAS ORGÁNULO Mitocondrias. Cloroplastos. LOCALIZACIÓN DE LA C. T. E. Membrana mitocondrial interna, crestas. Membrana tilacoidal. RUTA EN LA QUE INTERVIENE Fase final de la respiración aerobia. Fase “luminosa” de la fotosíntesis. TRANSPORTE DE ELECTRONES Desde el dador de Desde el H 2 O hasta el NADP+ electrones (NADH + H+ y con poca afinidad por los FADH 2), hasta el último electrones, se necesita energía aceptor, el O 2, con elevada que proporciona la luz. afinidad por los electrones. MOVIMIENTO DE H+ Desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Desde el estroma plastidial hasta el espacio tilacoidal.

QUIMIOSÍNTESIS Proceso anabólico autótrofo mediante el que se sintetizan compuestos orgánicos a partir de inorgánicos utilizando energía de las reacciones de oxidación. NH 3 H 2 SH 2 Compuestos inorgánicos . Fase 1ª • Se oxidan compuestos inorgánicos sencillos. • Se forma ATP y NADH NO 3 CO 2 Fase 2ª • Se utiliza el ATP y NADH. • Se reducen compuestos inorgánicos obteniéndose orgánicos.

BACTERIAS QUE REALIZAN LA QUIMIOSÍNTESIS (I) 1 BACTERIAS DEL NITRÓGENO (suelo y agua) 1. 1 Nitrosificantes (nitrosación) +E Nitrificación Nitrificantes (nitratación) 1. 2 Quimioautótrofos o quimiolitótrofos: • Gran importancia ecológica por su función en los ciclos biogeoquímicos. • Según los sustratos que utilizan para producir energía tenemos: +E 2 INCOLORAS DEL AZUFRE (aguas residuales, fuentes hidrotermales) +E 3 +E (Aguas de vertidos mineros) +E 4 (Subsuelo continental y oceánico) - Oxidan el hidrógeno a agua: 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O + E