bioenergética - FotosintesisVI

BIOENERGÉTICA
CUESTIONARIO
1)
a) El esquema representa una mitocondria con diferentes detalles de su
estructura. Identifique las estructuras numeradas del 1 al 8.
b) Indique dos procesos de las células eucariotas que tengan lugar
exclusivamente en las mitocondrias y, para cada uno de ellos, establezca
una relación con una de las estructuras indicadas en el esquema.
c) Las mitocondrias contienen ADN. Indique dos tipos de productos codificados
por dicho ADN.
2) El monóxido de carbono (uno de los gases expulsado en el humo de los
coches) es un poderoso inhibidor de la citocromo-oxidasa, que, como sabes, es
uno de los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria mitocondrial.
a) ¿Qué función tiene la cadena de transporte electrónico en la mitocondria?
¿En qué lugar de la mitocondria se localiza físicamente?
b) ¿Qué efectos puede tener la intoxicación con monóxido de carbono sobre el
consumo de O2 en la mitocondria? ¿Y sobre la producción de ATP? Razona
tu respuesta.
3) Contesta de forma escueta a las siguientes cuestiones:
¿De qué está compuesta la cadena respiratoria? ¿Cuál es la función de la
cadena respiratoria? ¿Qué efectos tendría para la célula el bloqueo de la
cadena respiratoria en el caso de que esta se encontrare en un medio
anaerobio? Razona las respuestas.
4) Resume por medio de un esquema los acontecimientos que tienen lugar en la
fase luminosa de la fotosíntesis. Cita los compuestos sintetizados en esta fase
que van a ser utilizados en la fase oscura.
5) En que consiste la fotólisis del agua?
6) Semejanzas y diferencias entre los procesos de la fotosíntesis y la respiración
RESPUESTAS
1) a) Las estructuras numeradas en el esquema son:
- 1: Matriz mitocondrial
- 2: Crestas mitocondriales
- 3: Ribosomas (mitorribosomas)
- 4: Membrana mitocondrial interna.
- 5: Membrana mitocondrial externa.
- 6: Espacio intermembrana.
- 7: Complejo ATP- sintetasa
- 8: Proteínas (citocromos de la cadena de transporte de los electrones).
b) Los principales procesos que tienen lugar en las distintas partes de la
mitocondria son los siguientes:
- Matriz mitocondrial:
• Formación del acetil-CoA por descarboxilación oxidativa del piruvato y
por β- oxidación de los ácidos grasos.
• Ciclo de Krebs
• Ciclo de la urea.
-
Ribosomas mitocondriales:
• Síntesis de proteínas mitocondriales.
-
Espacio intermembrana:
• Acumulación de protones de bombeo desde la matriz
-
Complejo ATP- Sintasa:
• Formación de ATP (fosforilaciones oxidativas).
-
Proteínas de la cadena de transporte de electrones
• Transporte de electrones desde coenzimas reducidas (NADH + H+ y
FADH2) hasta el oxígeno y bombeo de protones al espacio
intermembrana.
c) Los productos codificados por el ADN son, fundamentalmente, proteínas. No
obstante, para la síntesis proteica se precisan distintos ARNs: mensajero,
ribosómico y transferente. La síntesis de todos ellos se realiza mediante la
transcripción del ADN; estos ARNs también están codificados en el ADN.
2)
a) La cadena respiratoria constituye la última fase de las oxidaciones que
tienen lugar en la mitocondria, concretamente en la membrana interna
mitocondrial.
En dicha membrana se localizan una serie de complejos enzimáticos
encadenados que transportan electrones, es decir, que aceptan y ceden
electrones. Uno de estos transportadores es el complejo enzimático
citocromo – oxidasa.
La función de la cadena es transportar electrones hasta el aceptor final, que
es el O2 (que se reduce a H2O), y su objetivo es doble:
1º. Por un lado, oxidar las coenzimas, FADH2 y NADH+H+, que se han
reducido en las rutas catabólicas (glicólisis, descarboxilación del ácido
pirúvico, β - oxidación, ciclo de Krebs, etc.) para que, de esta manera,
dichas rutas puedan seguir funcionando.
2º. La energía liberada en el transporte de electrones es utilizada para
convertir el ADP+Pi en ATP, en un proceso denominado fosforilación
oxidativa (*), Este ATP será utilizado para realizar todos los procesos
celulares que requieran energía.
b) Como se indica en el enunciado de la pregunta, la intoxicación con
monóxido de carbono produce la inhibición de la citocromo- oxidasa y, por
tanto, la paralización de la cadena del transporte de electrones. Las
consecuencias de este hecho son las siguientes:
1º. La producción de ATP asociada a la cadena cesa. No obstante, existen
otras fuentes de ATP como son las fosforilaciones al nivel del sustrato
(como las que tienen lugar en la glicólisis), que, como es el caso de las
células musculares mediante la fermentación, podrían aportar ATP a la
célula, aunque en cantidad mucho menor.
2º El consumo de O2 cesaría también, ya que al cesar el transporte de
electrones, la función del papel del O2 como aceptor final desaparece.
Las coenzimas, FADH2 y NADH + H+, que se han reducido en las rutas
catabólicas no pueden oxidarse de nuevo y, en consecuencia, dichas
rutas tampoco podrían seguir funcionando.
En resumen, sin ATP suficiente y sin FAD y NAD+ para poder realizar
reacciones oxidativas, la célula no podría desarrollar sus funciones, y moriría.
Cuando esta muerte celular es elevada y afecta a órganos importantes como el
cerebro, se produciría la muerte del organismo.
(*) Según la hipótesis quimiosmótica, al paso de electrones por los complejos transportadores
se libera suficiente energía para bombear protones (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio
intermembrana, donde se acumulan. De este modo se produce en gradiente electroquímico que
hace que los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor del gradiente. Sin embargo,
dada la impermeabilidad de la membrana interna, los H+ sólo pueden atravesarla a través de los
complejos enzimáticos que forman las ATP sintetasas insertos en ella. Estos complejos utilizan la
energía liberada en el paso de H+ para, a partir de ADP + Pi, obtener ATP.
3) En un medio anaerobio (con ausencia de O2) se paralizaría la cadena de
transporte de electrones, ya que no habría un aceptor final. Las consecuencias de
este hecho son las siguientes:
1º La producción de ATP asociada a la cadena cesa. No obstante existen
otras fuentes de ATP, como son las fosforilaciones a nivel de sustrato
(como las que tienen lugar en la glicólisis), que, como es el caso de las
células musculares, mediante la fermentación, que podrían aportar ATP a
la célula, aunque en cantidad mucho menor.
2º Las coenzimas, FADH2 y el NADH + H+, que se han reducido en las
rutas catabólicas, no pueden oxidarse de nuevo, y en consecuencia,
dichas rutas tampoco podrían seguir funcionando.
En resumen, sin ATP suficiente y sin FAD y NAD+ para poder realizar
reacciones oxidativas, la célula no podría desarrollar sus funciones, y moriría.
Cuando esta muerte celular es elevada y afecta a órganos importantes como el
cerebro, se produciría la muerte del organismo.
4) La fase luminosa tiene lugar en las membranas tilacoidales, en las que se
encuentran los pigmentos fotosintéticos. Un esquema del proceso puede ser el
siguiente:
-
Captura de la luz. La luz excita los electrones de la clorofila y estos son
cedidos a un aceptor de electrones. Al conjunto formado por la clorofila y el
aceptar de electrones se lo denomina “fotosistema”.
Cadena de transporte de electrones. Los electrones arrancados a la
clorofila son cedidos a la cadena de transporte de electrones de la
membrana tilacoidal y transportados hasta una coenzima, el NADP, que se
reduce a NADPH. En la cadena de transporte de electrones funcionan
intercalados dos fotosistemas: uno (el PSII) cuya clorofila "a" capta luz de
680 nm y otro (PS I) cuya clorofila diana capta luz de 700 nm.
-
Fosforilaciones fotosintéticas. Durante su transporte, los electrones van
liberando energía, que servirá para bombear protones desde el estroma
hacia el espacio intratilacoidal, generando un gradiente quimiosmótico.
Debido a la impermeabilidad de la membrana tilacoidal, los protones sólo
pueden regresar, a favor de un gradiente, a través del complejo enzimático
que constituye la ATP- sintetasa. La energía liberada por los protones se
utiliza para fosforilar ADP y transformarlo en ATP.
- Fotólisis del agua. La pérdida de electrones por el PS II genera en este un
potencial redox capaz de robar electrones a un compuesto tan oxidado
como es el agua. El agua cede electrones, y para ello se disocia, liberando
H+ y oxígeno molecular. Este oxígeno es un subproducto del proceso
fotosintético y como tal es expulsado al exterior: H2O →1/2 O2 + 2H+ + 2e(cedidos al PS II ).
Los compuestos sintetizados en la fase luminosa que serán utilizados en la
fase oscura son el ATP (compuesto energético) y el NADPH + H+ (poder
reductor).
5) La fotólisis del agua consiste en la rotura de la molécula de agua por el
fotosistema II (P680) de la membrana tilacoidal del cloroplaso. La pérdida de
electrones exitados por la luz y cedidos a la cadena de transporte de
electrones genera, en el fotosistema II, un potencial de reducción tan elevado,
que es capaz de arrancar los electrones al oxígeno del agua. Consecuencia de
esta pérdida de electrones, la molécula de agua se rompe; los dos protones
(H+) se ceden al medio acuoso y el átomo de oxígeno se une a otro átomo de
oxígeno para formar una molécula de oxígeno bimolecular (O2).
6) Fotosíntesis y respiración son dos procesos celulares cuyo desarrollo y objetivos
son totalmente diferentes, aunque guardan una estrecha relación: son procesos
inversos y, en cierto modo, complementarios. En el cuadro siguientes se resumen
las semejanzas y diferencias entre ambos procesos:
Fotosíntesis
Respiración
Tipo de células que
realizan dichos
procesos
Semejanzas
Orgánulo
central
Diferencias
Semejanzas
Objetivo
Diferencias
Semejanzas
Productos
iniciales
y finales
Diferencias
Semejanzas
Proceso
Diferencias
Cloroplastos
Mitocondrias
Ambos orgánulos poseen doble membrana, espacio interior (matriz/
estroma), ribosomas 70S, ADN circular y doble. Asimismo, ambos
orgánulos poseen una cadena de transportadores de electrones en
las membranas interiores.
El cloroplasto posee un
La membrana interna presenta
tercer tipo de membranas en repliegues hacia el interior
su interior (las membranas
denominadas crestas mitocondriales.
tilacoidales) que delimitan un
espacio llamado espacio
intratilacoidal.
Ambos son procesos energéticos que tienen por objeto intercambiar
energía para realizar las actividades vitales.
Oxidar la materia orgánica para
Producir materia orgánica a
partir de materia inorgánica y liberar la energía que contiene.
transformar energía luminosa
en energía química
almacenándola en dicha
materia orgánica.
Los productos iniciales de la fotosíntesis son los productos finales de
la respiración, y viceversa.
Productos iniciales
Materia orgánica: agua, CO2
Materia orgánica: azúcares, ácidos
y
grasos, aminoácidos y O2.
sales minerales
Productos finales
Materia orgánica: azúcares,
Materia inorgánica: agua y CO2
ácidos grasos, aminoácidos y
O2.
En ambos procesos se produce un transporte de electrones y
fosforilaciones (formación de ATP).
Tiene lugar en dos fases:
luminosa ( captura de la luz,
transporte de electrones,
fosforilaciones fotosintéticas,
fotólisis de agua) y oscura
(fijación del CO2 y ciclo de
Calvin)
Tiene lugar en diversas fases:
obtención del acetil CoA (por
descarboxilación del ácido pirúvico o