I. METABOLISMO CELULAR El metabolismo oxidativo o respiración celular aeróbica consiste en utilizar los nutrientes orgánicos para sintetizar energía o ATP (Adenosin trifosfato). La evolución y la biodiversidad, tanto en la estructura y funciones de los seres vivos, se debió en gran parte a este tipo de metabolismo.
La mitocondria, presente en todas las células eucariontes, formada por doble membrana, una de las cuales se proyecta al interior para formar crestas, estas poseen proteínas para transportar electrones y también las partículas F donde se sintetiza el ATP. Además contiene un coloide denominado matriz mitocondrial muy rico en enzimas del ciclo de Krebs, presenta un DNA circular y algunas ribosomas (55s). La presencia de estas dos últimas estructuras le confiere el carácter semiautónomo.
Metabolismo es la suma de todas las diferentes reacciones químicas que ocurren en células vivientes. Se divide en dos partes, catabolismo y anabolismo. El catabolismo podría ser definido como “que destruye” y el anabolismo como “que construye” ¿Ha escuchado de los anabólicos por ejemplo en relación al fisicoculturismo?
Catabolismo es la descomposición de moléculas como carbohidratos, proteínas y grasas de las comidas. Esto produce energía, que es almacenada como energía química en la molécula ATP.
Anabolismo es la síntesis de nuevas moléculas a partir de unidades más pequeñas. Por ejemplo, las células utilizan aminoácidos para formar proteínas y ácidos nucleicos para formar ADN o ARN. Estas reacciones de construcción requieren energía, y utilizan el ATP generado en el catabolismo para ello.
II. RESPIRACIÓN CELULAR Es un proceso intracelular que incluye un conjunto de reacciones catabólicas en cadena donde las biomoléculas orgánicas como los glúcidos, lípidos y aminoácidos sufren la ruptura de sus enlaces covalentes para transformarse en biomoléculas inorgánicas más simples (H 2O y CO2).
La ruptura de los enlaces, libera energía donde una parte se pierde en forma de calor y la otra es transferida temporalmente al ATP. El ATP es la molécula energética utilizada por la célula en el trasporte activo. División celular, movimiento y otras funciones.
En células eucariontes (con organelas y núcleo) la respiración se realiza en el citoplasma y en las mitocondrias y en procariontes a nivel del citoplasma y mesosomas.
ECUACIÓN: C6H12O6 + 6O2 + 38ADP + 38 P
6CO2 + 6H2O + 38ATP
ETAPAS Se desarrolla en 2 etapas en donde de la energía obtenida, un 60% disipa en forma de calor, el 40% restante se almacena en moléculas de ATP 1. ETAPA CITOSÓLICA Se realiza en la parte soluble o citosol de la matriz citoplasmática donde la glucosa es degradada en 2 piruvatos, el proceso se denomina glucólisis o glicólisis. En el citosol la glucosa (C6) inicialmente es activada utilizando la 2 ATP, posteriormente en el proceso se generan 4 ATP por un proceso denominado: Fosforilación a nivel de sustrato, que es una forma primaria de sintetizar ATP a nivel citoplasmático. Simultáneamente durante la degradación de la glucosa se libera hidrógenos citoplasmáticos en un proceso conocido como deshidrogenación los cuales son retenidos por la coenzima NAD + que tras recibir 2 H, reduce a NADH + H+ El piruvato producido (C3) es una molécula clave que puede continuar a través de dos vías citoplasmáticas: Vía Anaeróbica. Se da cuando hay escasez o ausencia de O 2 citoplasmático, también se llama vía fermentativa de la cual se conocen dos formas:
Fermentación Láctica. Ocurre por ejemplo en el tejido muscular tras ejercicios intensos donde los ácidos pirúvicos son reducidos a ácidos lácticos (C 3) los cuales atraviesan fácilmente la membrana y pasan a la sangre, donde una parte se pierde por la orina y
otra parte es llevada al hígado donde un grupo de enzimas que trabajan con piruvato transforman en glucosa (gluconeogénesis).
Fermentación alcohólica. Ocurre en levaduras fermentadoras del vivo, pan, cerveza en las cuales el piruvato tras reacciones consecutivas originan CO2 y etanol (C2H5OH)
Vía Aeróbica. Cuando hay consumo de oxígeno, los ácidos pirúvicos generados en el citoplasma ingresan a las mitocondrias atravesando sus dos membranas para llegar a la cámara interna, se conoce que el oxígeno activa este producto. 2. ETAPA MITOCONDRIAL Actividad en la cámara interna (matriz mitocondrial)
Decarboxilación y deshidrogenación del piruvato. La decarboxilación consiste en que el piruvato pierde carbono en forma de CO2 y la deshidrogenación en que pierde 2 H los que recibe el NAD+ para reducirse en NADH + H+ El piruvato se convierte en acetilo (C2) e inmediatamente se acopla con la coenzima A (CO-A) formando el acetil- coenzima A
Descarboxilaciones y deshidrogenaciones del acetilo en el ciclo de Krebs. El acetilo es transportado al ciclo de Krebs donde es fijado por el oxalacetato (C 4) que se convierte al recibir al acetilo (C2) en citrato (C4). El citrato es transformado por las enzimas del ciclo que le retiran secuencialmente dos carbonos en su forna de CO 2 (decarboxilación) y 4 pares de h (deshidrogenación) los que son retenidos por 3 NAD + que origina 3 NADH+2 y 1 FADH+2, en el ciclo también se forma un GTP que da origen a 1 ATP.
Finalmente el citrato ha logrado reconvertirse en el ciclo a la molécula inicial de oxalacetato, reiniciándose el ciclo. Los 3 NADH+2 y 1 FADH+2 son atraídos a la superficie de la membrana mitocondrial interna. El ciclo de Krebs se denomina también Ciclo del ácido Cítrico o ciclo de los ácidos Tricarboxílicos. Actividades en la membrana interna. Cuando el NADH+2 o FADH+2 se acerca a la membrana sufre la pérdida de los hidrógenos que se descomponen en H+ (protones y e- (electrones), los H+ quedan en la cámara externa mientras que los e- saltan hacia la superficie de la membrana interna donde son recibidos por complejos proteicos integrales dispuestos en una secuencia energética decreciente conformando la cadena transportadora de e- donde sus componentes más importantes son los citocromos proteínas que contienen Fierro (Fe +2) y cobre (Cu +2) Los electrones van de transportador en transportador y este flujo de e- genera un: potencial electrónico que sirve para introducir H+ de la cámara interna a la cámara externa: los e- llegan hasta el último transportador y de allí se unen al O 2 (aceptor final de e-)
El transporte de los protones desde la cámara externa a la cámara interna desprende energía y se hace por el canal protónico de la partícula F, sobre la superficie de esta partícula se realiza una captura de energía y la formación de ATP, este proceso se denomina fosforilación oxidativa.
III. FOTOSÍNTESIS El proceso de la fotosíntesis (Foto: luz, Síntesis: elaborar) permite elaborar alimentos, como glucosa utilizando energía luminosa, CO 2 y H2O. Esta función la realiza organismos autótrofos como los vegetales, las algas y las cianofitas, las cuales, son principales componentes en todo ecosistema, iniciando la cadena alimenticia.
Además de formar glucosa y otros alimentos también libera O2 al medio, el cual permite realizar metabolismo oxidativo en los organismos aeróbicos (plantas, animales, hongos, etc) y también contribuye en la formación de la capa de ozono (O3) que protege la vida en el planeta.
El cloroplasto presenta doble membrana, un fluido interno llamado estroma, sacos membranosos llamados tilacoides que en conjunto forman una grana, éstos, se encuentran el pigmento llamado clorofila que capta la luz durante la fotosíntesis. Además posee DNA, material genético que le permite su autoduplicación y ribosomas que le permiten elaborar muchas de las enzimas que poseen. Los cloroplastos en la oscuridad (sin luz) se desorganizan y decoloran originando a los edioplastos estos pueden regenerar cloroplastos por exposición a la luz. Los cloroplastos son los organelas fotosintéticos de las algas verdes y de las plantas.
La fotosíntesis es un proceso metabólico mediante el cual la luz aporta energía que es utilizada en la elaboración de moléculas orgánicas. La energía luminosa es transformada en energía química. Si en el proceso se libera oxígeno como ocurre en las plantas y algas se denomina oxigénica, pero si no se libera oxígeno es anoxigénica como ocurre en la fotobacterias. La fotosíntesis es el mecanismo principal mediante el cual se elabora moléculas orgánicas y se inicia la cadena alimenticia en los ecosistemas.
La fotosíntesis oxigénica aporta O2, a la atmósfera y favorece la regeneración de la capa de ozono.
FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA Las plantas llevan a cabo la fotosíntesis en tallos y hojas verdes que constituyen los órganos fotosintéticos típicos. En estos órganos se localizan el parénquima clorofiliano, constituido de células con abundantes cloroplastos, estas son organelas fotosintéticas que contienen los pigmentos fijadores de la luz y las enzimas requeridas en el proceso. Las algas eucariótas unicelulares poseen cloroplastos, y las algas pluricelulares presentan un tejido primitivo, dominado plecténquima, en cuyas células ocurre la fotosíntesis en plastidios conocidos como rodoplastos en algas rojas, feoplastos, en algas pardas o cloroplastos en algas verdes.
UNIDAD FOTOSINTÉTICA Los pigmentos integrados en la membrana y asociados a proteínas constituyen la unidad fotosintética denominada cuantosoma, localizada en los tilacoides del cloroplasto. El pigmento más importante es la clorofila, mientras que los demás actúan como pigmentos auxiliares. La característica molecular que le permite absorber la luz es la distribución de sus electrones en pares de manera alternada (resonancia) y en el caso de la clorofila, el Mg +2 como ión central de la molécula. En el cuantosoma también existe la partícula F también conocida como ATPasa o ATP sintetasas que sintetiza ATP. Entre los dos fotosistemas se encuentran una cadena transportadora de electrones formada principalmente de proteínas tales como plastoquinonas, los citocromos b-f, la plastocianina y la ferredoxina.
ECUACIÓN GENERAL:
12H2O + 6CO2
LUZ / CLOROFILA
C6H12O6
+ 6O2 + 6H2O
ETAPAS DE LA FOTOSÍNTESIS OXIGIÉNICA. 1. Etapa Luminosa. Ocurre en las membranas de los tilacoides donde localizados los cuantosomas. Se llevan a cabo los siguientes eventos:
Fotoexcitación. La luz absorbida por los pigmentos, desencadena la excitación molecular y la pérdida de electrones por la clorofila. Fotólisis del agua. La energía absorbida provoca la ruptura de las moléculas de agua, como consecuencia se libera oxígeno molecular (O 2), electrones (2e-) y protones (2 H+) hacia el interior del tilacoide. En este proceso participa la proteína Z que contiene un ión de manganeso (Mn) Transporte de electrones y fotoreducción. Los electrones liberados del agua son transferidos a través de la cadena transportadora de electrones hacia el NADP + que como consecuencia se reduce (el NADP+ gana electrones) en NADP-, luego acepta protones (2 H+) originando NADPH + H+ Fotofosforilación. La acumulación de protones en el espacio intratilacoidal y el transporte de electrones genera una gradiente (diferencia) de concentración y carga entre el tilacoide y el estroma. Como consecuencia se sintetiza ATP por parte de la ATP sintetasa.
La etapa luminosa transforma la energía luminosa en energía química, proceso que se evidencia en la síntesis de ATP.
2. Etapa Oscura. Denominado Ciclo de Calvin-Benson. Ocurre en el estroma. Es aquella en la cual se utilizan los productos de la etapa luminosa (ATP y NADPH + + H+) y con la incorporación de CO2 se sintetizan azúcares. Comprende los siguientes procesos:
Fijación de CO2. Moléculas de ribulosa difosfato captan el CO2 de la atmósfera, participa la enzima ribulosa carboxilasa. Inicialmente se forman moléculas C6 inestables que se rompen en unidades de C3 denominadas fosfogliceratos. Reducción Las moléculas de fosfoglicerato son transformadas hasta fosfogliceraldehído. El proceso incorpora protones y electrones, bajo la forma de H, provenientes del NADPH+ + H+ consumiendo energía proporcionada por ATP. Síntesis de glucosa. Doce fosfogliceraldehídos mediante una serie de reacciones dan origen a la fructosa que por isomeración (cambio de conformación molecular) es transformada a glucosa. Los carbonos restantes son transformados hasta ribulosa fosfato. Reactivación de la ribulosa. Las moléculas de ribulosa reaccionan con ATP para generar ribulosa difosfato que actúa como fijador del CO2 Las moléculas de glucosa elaboradas tienen tres destinos: - Se utilizan como fuente de energía o para la síntesis de moléculas estructurales. - Son almacenadas en el mismo ligar de la síntesis como almidón. - Son transportadas a otros órganos vegetales para su uso o almacén.