BEATRIZ ABARCA C.
TIPOS DE NUTRICIÓN.-
Las células deben suministrarse nutrientes de una u otra forma, para llevar a cabo las funciones que les son características.
Los animales y vegetales difieren en cuanto a los tipos de sustancias que necesitan del medio ambiente, los que serán utilizados como materiales para crecer, desarrollarse y reperar estructuras gastadas y/o dañadas; además, de la energía para llevar a cabo las funciones vitales.
Deben existir mecanismos para el suministro de energía y, también, para ser transformada en energía química de enlace.
Dependiendo de la forma en que obtiene energía, los organismos se clasifican en:
Quimiosintetizadores o Quimiotróficos: son bacterias que capturan energía de ciertas reacciones químicas inorgánicas, para la síntesis de su metabolismo. El inconveniente es que la energía es limitada, al igual que la disponibilidad de materiales inorgánicos.
Fotosintetizadores o Fototróficos: plantas verdes y algunas bacterias que atrapan energía lumínica, fuente inagotable, para fabricar moléculas orgánicas.
Los quimiotróficos y fototróficos son autosuficientes en su alimentación, no necesitando moléculas orgánicas; se les denomina AUTÓTROFOS.
Heterótrofos: son organismos animales, hongos y algunas bacterias que obtienen su
energía y nutrientes consumiendo moléculas orgánicas elaboradas, especialmente por los fotosintetizadores.
Por lo tanto, la mayoría depende directa o indirectamente de la energía proveniente del sol.
FOTOSÍNTESIS.-
El proceso por el cual se utiliza la energía solar para fabricar moléculas orgánicas se denomina fotosíntesis.
Los ecosistemas están constituidos por productores u organismos autótrofos, y por los consumidores o heterótrofos.
Para la fotosíntesis, los organismos necesitan de clorofila, que atrapa la luz y la transforman en A.T.P., a partir de A.D.P. más P inorgánico, o formar moléculas orgánicas complejas a partir de CO2 y H2O.
El volumen de oxígeno liberado en la fotosíntesis es aproximadamente igual al volumen de dióxido de carbono absorbido. La relación O2 / CO2 = 1 y se denomina cuociente fotosintético.
Se piensa que el oxígeno liberado a la atmósfera proviene del anhídrido carbónico. Sin embargo, por estudios realizados en bacterias sulfurosas que utilizan ácido sulfhídrico, en lugar de agua, se observa que la liberación es azufre.
CO2 + H2S ---> glúcido + S
Y en bacterias que utilizan hidrógeno en lugar de agua, se observó que:
CO2 + H -----> glúcido
Por tanto, el oxígeno liberado no proviene del dióxido de carbono; entonces la ecuación más general sería:
CO2 + HDador ---> Glúcido + D
Pigmentos de la fotosíntesis.-
En los fotosintetizadores, existen los pigmentos que están en membranas. En eucariotas se encuentran los cloroplastos y en procariontes están en lamelas citoplasmáticas.
La clorofila es una molécula formada por 4 anillos porfirínicos (de carbono y nitrógeno) y un átomo de magnesio central.
Existe la clorofila a y b en vegetales superiores, y en algas y bacteria existen otras clorofilas (c – d).
Los carotenoides son otros pigmentos que participan en la fotosíntesis, son amarillas o anaranjadas, y están enmascaradas por la clorofila, al igual que las ficobilinas de algas rojas y bacterias verde-azules.
ETAPA LUMINOSA DE LA FOTOSÍNTESIS.-
La luz blanca está formada por ondas de diferentes longitudes que, al incidir en un prisma, se descompone en varios colores, constituyendo el espectro visible. Las ondas luminosas intermedias son las importantes para la fotosíntesis.
La luz actúa por un sistema de paquetes energéticos, los fotones, cada uno de los cuales contiene un quantum de energía (cantidad indivisible de energía). Los fotones de onda corta tienen casi el doble de energía que los de onda larga.
Las moléculas de clorofila absorben un fotón a la vez y de cierto quantum de energía; por esto absorbe energía de la zona azul-violeta y de rojo-anaranjado del espectro. Esta energía eleva un electrón hacia un nivel energético mayor de la clorofila , entonces se dice que la molécula está excitada.
Las reacciones luminosas de la fotosíntesis pueden resumirse en la siguiente ecuación:
clorofila
ADP + Pi + H2O + molécula transportadora + E ------> ATP + NADP-H + O2
enzimas
Se forma ATP por unión de ADP + Pi, la molécula de agua se rompe y el oxígeno es liberado a la atmósfera; el hidrógeno es captado por las moléculas transportadoras de H. La energía proviene del sol, captada por la clorofila.
Dentro de los tilacoides existen unidades fotosintéticas o fotosistemas I y II, cada uno de los cuales tiene entre 200 a 300 moléculas de clorofila y 50 a 60 carotenoides. Además, el F I tiene clorofila a, llamada P700 porque es óptima a 700 nanómetros de absorción de luz, y el F II tiene clorofila a P680, por igual razón. Ellas constituyen el centro de reacción del fotosistema y pueden ceder su electrón a una sustancia aceptora de electrones, que se reduce químicamente.
Las reacciones comienzan en el F I cediendo, por excitación de P700, 2 electrones a un aceptor primario y luego a la ferredoxina. De ésta se traspasan al NADP, previa unión a los protones H, quedando como NADPH. En tanto, el F II absorbe energía y excita a la P680 que libera 2 electrones a un aceptor primario. Estos electrones pasan por una cadena de citocromos (aceptores) por redox, perdiendo energía y que se usa para sintetizar ATP. Los electrones son traspasados al F I.
Los electrones perdidos en el F II son recuperados de la fotolisis del agua, que se rompen por acción de la carga positiva de la clorofila. Por esto es inexacto indicar que la luz rompe el agua.
Los productos de la etapa luminosa son el NADPH y el ATP.
ETAPA OSCURA DE LA FOTOSÍNTESIS.-
Esta etapa ocurre en el estroma de los cloroplastos, fijando el CO2 y sintetizando hidratos de carbono, a partir de los productos formados en la fase clara. Se denomina oscura porque no requiere de luz.
La etapa y sus reacciones se resumen en la siguiente ecuación:
ATP + CO2 + 2 NADPH ----->ADP + Pi + NADP + GLÚCIDO (PGAL)
El dióxido de carbono se une a una molécula de 5 carbones, la ribulosa diP, formando un glúcido fosforilado de 6 carbones que, de inmediato, se rompe en dos ácido fosfoglicérido (PGA). Estas moléculas se convierten en PGAL (fosfogliceraldeído 3-fosfato), con la adición de los H del NADP y la energía del ATP.
La mayor parte del PGAL sigue dentro del ciclo de Calvin, para restituir la ribulosa di P. El resto del PGAL es almacenado en diferentes partes de la planta en los plastidios, en donde se modifican estructuralmente para originar glicerol y ácidos grasos y estos, por aminación, a los aminoácidos.
FACTORES QUE AFECTAN LA TASA FOTOSINTÉTICA.-
FACTORES INTERNOS:
a. Estructura de la hoja: influye en la cantidad de anhídrido carbónico que llega a los cloroplastos; incluyen tamaño, posición y número de los estomas, tamaño de los espacios intercelulares.
b. Productos de la fotosíntesis: al aumentar los productos en las células de la hoja, disminuye la tasa fotosintética por un proceso químico llamado inhibición por producto.
c. Protoplasma: si el protoplasma carece de agua se deshidrata y la fotosíntesis disminuye, también cuando las reacciones enzimáticas están alteradas.
FACTORES EXTERNOS
Temperatura: si la intensidad luminosa es apropiada y el suministro de dióxido es normal, las plantas terrestres aumentan la tasa de F. Con la temperatura hasta los 25º C. Sobre este valor desciende.
Luz: con temperatura y dióxido adecuados, la F. Aumenta con la intensidad lumínica hasta un punto llamado intensidad luminosa óptima, luego disminuye.
Anhídrido carbónico: el CO2 difunde desde la atmósfera, en donde un 0,03 % corresponde a su concentración, a los espacios intercelulares y de allí a los cloroplastos.
El CO2 limita la tasa fotosintética, si aumenta su concentración aumenta la F., pero por corto tiempo. Luego, las plantas presentan daño por intoxicación, descendiendo.
Agua: es absorbida por los pelos radicales de las raíces, desde el suelo y conducida hacia las hojas por el xilema. Sólo el 1 o 2 % del agua absorbida es utilizada por la planta y el resto es evapotranspirado. La tasa fotosintética puede variar por pequeñas diferencias del contenido de agua.
Minerales: la falta de minerales, especialmente nitrógeno, magnesio o fierro, baja la tasa fotosintética por que son indispensables para la síntesis de clorofilas a y b. Si hay deficiencias de minerales, las hojas se tornan amarillas y opacas; esta anomalía se denomina clorosis.
METABOLISMO ENERGÉTICO EN ANIMALES.-
Las substancias formadas en la fotosíntesis les sirven a los vegetales, para su crecimiento y desarrollo. También es utilizado por los animales que no son capaces de fabricar sus propias moléculas.
En el organismo animal, las moléculas orgánicas son desintegradas para obtener energía. La serie de reacciones, para liberar energía de los enlaces químicos de los azúcares fotosintetizados, tiene lugar en las células.
Si una glucosa se quema en un calorímetro se tiene:
C6 H12 O + 6 O2 -------> 6 CO2 + 6 H2 O + calor
Cada glucosa oxidada con la adición de 6 moléculas de oxígeno producen 6 CO2 y 6 agua, liberando 686 Kcal., por mol de glucosa.
La glucosa y otros azúcares son “quemados” en las células animales y parte de la energía es atrapada en enlaces químicos (un mol de ATP tiene 7,6 Kcal.) y otra parte es liberada como calor. Este proceso catabólico es conocido como RESPIRACIÓN CELULAR.
RESPIRACIÓN CELULAR.-
Los glúcidos son las moléculas claves del metabolismo enrgético, en especial la glucosa, que debe ser fosforilada para evitar la salida del hialoplasma. También los lípidos y proteínas pueden entrar en los procesos metabólicos. En la respiración, las reacciones son controladas y ordenadas por más de 100 enzimas específicas, que deshidrogenan y liberan E.
La ecuación más general de la respiración es:
C6 H12 O + 6 O2 --------> 6 CO2 + 6 H2 O + 38 ATP
Para mejor estudio de las reacciones, esencialmente catabólicas, del proceso se han dividido en etapas, en donde los H liberados son recepcionados por moléculas transportadoras como el NAD, FAD y otras.
ETAPA I: GLICÓLISIS, RESPIRACIÓN ANAERÓBICA o VÍA DE EMBDEN- MEYERHOF
El nombre indica que la glucosa es catabolizada hasta 2 moléculas de 3 C llamada PGAL, previa fosforilación (1-6 difosfoglucosa). El PGAL se deshidrogena hasta formar 2 ácidos pirúvico o piruvato, cada uno de 3 C más 2 NADH y más 2 ATP.
Las enzimas que catabolizan las 11 reacciones, en el citoplasma, no requieren de oxígeno; aún cuando existen 2 oxidorreducciones (REDOX). La glucosa ingresa desde la sangre sin fosforilar o puede provenir del glucógeno hepático ya fosforilada en el carbono 1, por tanto debe existir un reordenamiento.
ETAPA II: PUENTE ENTRE GLICÓLISIS Y CICLO DE KREBS.-
El piruvato entra a la mitocondria y uno de sus carbones es removido en forma de CO2, transformándose en una molécula de 2 carbones, la que se une a la coenzima A (CoA) formando acetilCoA. Al mismo tiempo ocurre deshidrogenación. Estos H son traspasados al NAD, formando 2 NADH.
La reacción ocurre entre las membranas mitocondriales, y se resume:
2 NAD 2 NADH
Ác. Pirúvico 2 Acetil CoA
(3 C ) (2 C )
2 CoA-SH 2 CO2
matriz mitocondrial
ETAPA III: CICLO DE KREBS o CICLO DEL ÁCIDO CITRICO o DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS.-
El acetil separado del CoA se une a una molécula de 4 C, el ácido oxaloacético, formando el citrato de 6 C. Por sucesivas remociones de CO2 (descarboxilaciones), se transforma hasta llegar a una molécula de 4 C. Estas descarboxilaciones, junto con la adición de agua y la transferencia de átomos de H a los transportadores NAD y FAD, dan como resultado la reconstitución de ácido oxaloacético de 4 C, que completa el ciclo. Las enzimas que participan en este ciclo se encuentran en la matriz mitocondrial.
ETAPA IV: CADENA RESPIRATORIA o SISTEMA DE CITOCROMOS o FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.-
Las moléculas portadoras de H, NAD y FAD, los llevan hasta las membranas de las crestas, en donde se encuentran las partículas F1, con las enzimas del proceso respiratorio.
Los H son traspasados a una cadena de citocromos y otras moléculas que, con reacciones REDOX, obtienen una alta ganancia de ATP. Esto debido a que la entrega de un H o un e- de un sistema reductor a uno oxidante libera energía, porque pasa de un nivel alto a otro más bajo, energéticamente.
Los NAD entregan su H a la FMN que se reduce, ésta lo entrega oxidándose al 2º aceptor que es la proteína Fe-S, que lo entrega a la coenzima Q o ubiquinona. A este nivel entrega el FAD su H.
A nivel de la coenzima Q se separa el H en sus partes protón y electrón, y la cadena de citocromos sigue transportando sólo al e-. los citocromos tienen Fe en su molécula, que al oxidarse cambia de valencia +3 a valencia +2. Al final de la cadena, los e- son atrapados por el oxígeno, que queda en condiciones de unirse a los protones (H+) y formar agua.
Según la hipótesis quimiosmótica, el flujo de e- en la cadena bombea los H+ desde la matriz al espacio intermembranoso, creando un gradiente electroquímico, y conforme “caen” a su posición original, la energía que liberan sirve a una proteína F1 de la membrana, para fosforilar al ADP y formar ATP.
Los citocromos pueden reaccionar con el cianuro a nivel de los átomos de hierro; así se inactivan y no transfieren e-.
FERMENTACIONES.-
Las fermentaciones se realizan en algunas células donde no hay disponibilidad de oxígeno o carecen de mitocondrias.
En un sistema de fermentaciones, el ácido pirúvico es transformado en otras substancias, al captar los H del NADH, obteniéndose nuevamente el NAD que participa en la glicólisis.
Existen 2 tipos de fermentaciones:
Fermentación alcohólica: se da en levaduras y otros microorganismos. El piruvato se transforma en aldehído acético al descarboxilarse. Este aldehído recibe los 2 H del NADH y se forma el alcohol etílico.
En el caso del vino, la levadura se encuentra en la piel de la uva, que al macerarse, fermenta los glúcidos, produciendo etanol. La levadura sólo fermenta monosacáridos, por tanto, en la cebada son las amilasas las que degradan los glúcidos hasta glucosa, sobre todo en la germinación; de esta manera se obtiene la cerveza.
Fermentación láctica: corresponde a la degradación de alimentos que contienen principalmente lactosa, que es degradada hasta glucosa y galactosa. La galactosa es transformada a glucosa. Es realizada por mamíferos que requieren energía rápida, por ejemplo en ejercicio sostenido, o en células como glóbulos rojos maduros que no tienen mitocondrias.
En esta fermentación, los NADH entregan los H al piruvato , en un reordenamiento molecular, oridinando el ácido láctico.
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