BIOLOGÍA Procesamiento de Energía

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BIOLOGÍA
Procesamiento de
Energía
Octubre 2013
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Vocabulario
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Acetil Co-A
Aeróbico
Cadena transportadora de electrones
Vía anabólica
Anaerobio facultativo
FADH
Anaeróbico
ATP
Síntesis de ATP
Ciclo de Calvin
Vía catabólica
Respiración celular
Clorofila
Ciclo del ácido cítrico
Transporte electrónico
Aceptor de electrones
Fermentación alcohólica
2
Fermentación
Glicólisis
Ciclo de Krebs
Fermentación ácido-láctica
Reacciones dependientes de la luz
Reacciones independientes de la luz
Metabolismo
NADH
NADPH
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Vocabulario
Cliquea sobre cada palabra de abajo para ir a la definición.
Transporte no cíclico de energía
Aerobio obligado
Anaerobio obligado
Oxidación
Fosforilación oxidativa
Fosforilación
Fotosíntesis
Fotosistema I
Fotosistema II
Piruvato
Descarboxilación del piruvato
Reducción
Tilacoide
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Procesamiento de la Energía
Temas de unidad
Click en el tema par ir a esta sección
· Metabolismo y ATP
· Respiración Celular
· Fermentación
· Fotosíntesis
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Chapter 8
Metabolismo y ATP
Volver a la
tabla de
contenidos
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Vías metabólicas
El Metabolismo es la totalidad de las reacciones químicas de
un organismo.
El Metabolismo es una propiedad de la vida
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Vías metabólicas
Una vía metabólica comienza con una molécula específica y
finaliza con un producto
Cada paso se cataliza por una enzima específica
Sin enzimas las vías metabólicas avanzarían muy lentamente
A
Reacción 1
enzima 3
enzima 2
enzima 1
B
Reacción 2
C
Molécula
Inicial
Reacción 3
D
Producto
Vías metabólicas
Existen dos tipos de vías metabólicas
Vías Catabólicas
Vías Anabólicas
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Vías catabólicas
Las Vías Catabólicas desarman moléculas del entorno.
Los seres vivos utilizan la energía derivada de la ruptura
de los enlaces en estas moléculas para construir
estructuras y conducir los procesos celulares.
Reacciones exergónicas
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Las vías catabólicas son reacciones exergónicas, el
cambio en la energía libre de Gibbs es negativo. Por lo
tanto, liberan energía y ocurren espontáneamente
Cantidad
energía
libre
liberada
(ΔG < 0)
Reactivos
Energía
Productos
Progreso de la reacción
Vías anabólicas
Las vías anabólicas sintetizan moléculas orgánicas complejas y
aceleran los procesos de las células usando la energía derivada de
las vías catabólicas.
Ejemplos
Formación de huesos
Formación de músculos
Síntesis de almidón
Transporte activo
Click aquí para ver un
dispositivo neumónico
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Reacción endergónica
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Las vías Anabólicas son reacciones endergónicas; el
cambio en la energía libre de Gibbs es positivo. Por lo
tanto, requieren un aumento de energía y no ocurren
espontáneamente
Productos
Energía
Cantidad de
energía libre
requerida
(ΔG > 0)
Reactivos
Progreso de la reacción
Procesos espontáneos
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Un proceso se producirá espontáneamente si el resultado es
una reducción de la Energía libre de Gibbs (G) del sistema.
G toma en cuenta el cambio resultante en la energía de un
sistema y el cambio en su entropía.
Si el efecto de una reacción es la reducción de G, el procesose
producirá espontáneamente
Si ∆G es negativo, la reacción ocurrirá espontáneamente.
Si ∆G es cero o positivo, esta no ocurrirá espontáneamente.
Energía libre y metabolismo
En los sistemas biológicos a menudo se necesita que
ocurra una reacción endergónica pero por sí mismos, no
la producirán de forma espontánea .
Para que esto ocurra, la reacción endergónica está
acoplada a una reacción que es exergónica, de manera
que juntas, son exergónicas.
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Suma de reacciones acopladas
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Reacción no espontánea: #G es positivo
Glu
NH2
+
Ácido
Glutámico
#G = +3.4 kcal/mol
NH3
Glu
Amoníaco
Reacción espontánea: ΔG es negativo
ATP
+
H2O
juntas, las reacciones
son espontáneas
1
ΔG = -7.3 kcal/mol
ADP
+
Pi
#G = –3.9 kcal/mol
Una reacción espontánea _____.
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A ocurre sólo cuando una enzima u otro catalizador está
presente
B no puede ocurrir fuera de un organismo vivo
C
libera energía cuando actúa en la dirección de avance
D
es común en las vías anabólicas
E conduce a una disminución en la entropía del universo
2
Las vías anabólicas son ___________ y las catabólicas
son ______________.
A
B
C
D
espontáneas, no espontáneas
endergónicas, exergónicas
exergónicas, endergónicas
endotérmicas, exotérmicas
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3
¿Cuál de las siguientes opciones establece correctamente la
relación entre las vías anabólicas y catabólicas?
A
B
C
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La degradación de moléculas orgánicas por las vías
anabólicas proporciona la energía para conducir las vías
catabólicas.
La energía procedente de las vías catabólicas se utiliza para
conducir la descomposición de moléculas orgánicas en las
vías anabólicas.
Las vías anabólicas sintetizan moléculas orgánicas más
complejas usando la energía derivada de las vías catabólicas.
Energía celular
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Una célula tiene tres tipos principales de trabajo:
· Mecánico (movimiento)
· Transporte (cruzar una barrera)
· Químico (cambiar una molécula)
Para hacer el trabajo, las células manejan los recursos
energéticos mediante el acoplamiento de energía, utilizando
una reacción exergónica para conducir a una endergónica
ATP
Las células pueden almacenar la
energía de las vías catabólicas
en una molécula llamada ATP
(adenosin trifosfato ). El ATP se
puede descomponer más tarde
para alimentar reacciones
anabólicas.
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ATP
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El ATP (adenosin trifosfato)
incluye tres grupos fosfato (PO4-3).
Cada grupo fosfato tiene una
carga iónica de -3e.
En este modelo de ATP, cada
PO4-3 esta encerrado en un
círculo azul.
ATP
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Los grupos fosfato se repelen
entre sí, ya que cada uno tiene
una carga negativa.
Por lo tanto, se requiere de trabajo
para agregar el segundo grupo
fosfato; ir de AMP (monofosfato) al
ADP (difosfato).
Para agregar el tercer grupo, para
ir de ADP al ATP (trifosfato), se
requiere aún más trabajo, ya que
es repelido por ambos grupos
fosfato
ATP
Esto es como el trabajo en la
compresión de un resorte.
La energía del trabajo necesario
para llevar a cada grupo fosfato a
la molécula se almacena en
enlace fosfato.
Cuando el enlace se rompe para ir
desde el ATP a ADP, se libera una
cantidad significativa de energía.
Yendo a partir de ADP a AMP se
libera menos energía, ya que hay
menos carga total en el ADP que
en el ATP.
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ATP
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Los enlaces entre los grupos fosfato de la cola del ATP se
pueden romper por hidrólisis.
La energía se libera a partir del ATP cuando se rompe el
enlace fosfato terminal.
La energía liberada es igual al trabajo que se hizo para
formar el enlace. Ese trabajo se sobrepuso a la repulsión
electrostática entre el último grupo fosfato y la molécula de
ADP inicial.
El resultado es un cambio químico a un estado de menor
energía libre.
ATP
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En los sistemas vivos, la energía de la reacción exergónica
de la hidrólisis del ATP se puede utilizar para conducir una
reacción endergónica.
En general, las reacciones acopladas son exergónicas.
El ATP produce trabajo
El ATP impulsa reacciones endergónicas por la
fosforilación, la transferencia de un grupo fosfato a
otra molécula, tal como un reactivo.
La molécula receptora ahora está "fosforilada".
Los tres tipos de trabajo celular son motorizados por la
hidrólisis del ATP.
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El ATP Realiza
Trabajo
Pi
P
Proteína motora
Proteína movida
Trabajo Meánico: ATP
proteínas motoras fosforiladas
Membrane
protein
ADP
+
ATP
Pi
P
Pi
Soluto transportado
Soluto
Trabajo de Transporte: El ATP fosforilado transporta proteínas
P
Glu
NH2
+
NH3
+
Glu
Pi
Reactivos: Ácido
Producto hecho
Glutámico
(glutamina)
y amoníaco
Trabajo Químico: el ATP fosforila reactivos clave
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La Regeneración del ATP
El ATP es un recurso renovable que se regenera mediante
la adición de un grupo fosfato al ADP
La energía para fosforilar el ADP proviene de reacciones
catabólicas en la célula
La energía potencial química almacenada temporalmente en
ATP conduce a mayor trabajo celular
Cada célula está convirtiendo millones de ATP a ADP y
nuevamente cada segundo.
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La Regeneración del ATP
ATP
Energía del catabolismo,
(exergónica, procesos
que producen energía)
ADP
+
P
i
Energía del trabajo celular
(endergónico, procesos
que consumen energía)
4
Por lo general, la hidrólisis del ATP conduce el trabajo celular
debido a que _____.
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A libera energía que puede ser utilizada en otras reacciones
B libera calor
C actua como un catalizador
D disminuye la energía libre de la reacción
5
6
¿Cuál opción caracteriza mejor al rol del ATP en el metabolismo
celular?
La liberación de energía durante la hidrólisis del ATP calienta
A
el ambiente circundante.
B
La energía liberada a partir de la hidrólisis del ATP puede ser
acoplada en un proceso endergónico a través de la formación
de un fosforilado intermedio.
C
Cataboliza al dióxido de carbono y al agua
D
El # G asociada con su hidrólisis es positiva
¿Cuál de los siguientes no es un ejemplo de trabajo celular
logrado con la energía libre derivada de la hidrólisis del ATP?
A
B
C
D
Trabajo mecánico tal como el movimiento de la célula.
Trabajo de transporte, tal como el transporte activio de un ión
hacia dentro de la célula.
Trabajo químico, tal como la síntesis de nuevas
proteínas.
La producción de calor, lo que eleva la temperatura de la
célula.
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Respiración celular
Volver a la
tabla de
contenidos
Equilibrio y metabolismo
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Las reacciones en un sistema cerrado eventualmente alcanzan el
equilibrio y luego se detienen.
La vida no está en equilibrio
La vida es un sistema abierto, experimentando un constante
flujo de materia y energía.
Los organismos vivos no pueden sobrevivir sin la conexión con
el entorno.
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La Producción de ATP
Vías Catabólicas
La respiración celular es una vía catabólica que consume
moléculas orgánicas y produce ATP.
Los carbohidratos, las grasas, y las proteínas pueden ser
combustibles de la respiración celular.
Miraremos primero en el caso más simple, la ruptura del azúcar
en glucosa.
Pero antes de hacer eso tenemos que aprender acerca de dos
moléculas que son esenciales para la respiración.
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NAD+ y FAD
Las moléculas de NAD+ y FAD se utilizan para almacenar y
liberar posteriormente, la energía durante la respiración, son
clave para la respiración.
Cada molécula tiene dos formas, cada forma almacena una
cantidad diferente de energía. Así, se mueven entre estas dos
formas o bien almacena energía potencial química o la libera.
Estas son las reacciones:
NAD+ + 2H+ + 2e- + Energía
FAD + 2H+ + 2e- + Energía
NADH + H+
FADH2
Las flechas dobles indican que cada reacción es reversible, se
puede proceder en cualquier dirección. Cuando la reacción va hacia
la derecha, se almacena la energía. Cuando se va hacia la
izquierda, se libera energía
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NAD+ y FAD
NAD+ + 2H+ + 2e- + Energía
FAD + 2H+ + 2e- + Energía
NADH + H+
FADH2
La cantidad de energía que se utiliza cuando la reacción va hacia
la izquierda, depende de la disponibilidad de aceptores de
electrones. Sin una molécula, tal como el O2, para aceptar los
electrones en exceso la energía almacenada en NADH y FADH2
no se puede utilizar para producir ATP.
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Aceptores de Electrones
El oxígeno es el mejor aceptor de electrones, ya que genera la
mayor variación de energía libre ( G) y produce más energía. En
ausencia de oxígeno, otras moléculas, tales como los nitratos,
lossulfatos, y el dióxido de carbono pueden utilizarse como
aceptores de electrones
Si el O está presente,
2
· 1 NADH almacena energía suficiente para crear alrededor de
3 ATPs
· 1 FADH almacena energía suficiente para crear alrededor de 2
ATPs
2
7 El NADH se convierte en NAD+. Durante este proceso,
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A se libera energía
B se almacena energía
C ni se almacena ni se libera energía
8 El FADH2 se convierte en FAD. Durante este proceso,
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A se almacena energía
B se libera energía
C ni se almacena ni se libera energía
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Reducción y Oxidación
NAD+ + 2H+ + 2e- + Energía
FAD + 2H + 2e + Energía
+
-
NADH + H+
FADH2
Cuando se pasa de izquierda a derecha estamos añadiendo
electrones a una molécula. Eso se llama reducción de la
molécula, o proceso de reducción.
Al ir de derecha a izquierda, estamos tomando electrones de una
molécula. Eso se llama oxidacíón de la molécula, o proceso de
oxidación.
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Oxidación
La razón del término oxidación es que este es el efecto que el
oxígeno tiene generalmente: que toma electrones de una
molécula, produciendo su oxidación .
La corrosión del hierro es un ejemplo de oxidación: el oxígeno
está tomando electrones del metal, oxidándolo.
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2 O3
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Reducción y Oxidación
Ya que no parece
correcto que a la adición
de electrones se la llame
"reducción", aquí hay
una manera de recordar
estos dos términos.
LEO dice GER
Perder (Losing)
Electrones es
Oxidación
Ganar
Electrones es
Reducción
9
¿Cuál de los siguientes no puede actuar como un aceptor
de electrones?
A sulfato
B oxígeno
C amonio
D nitrato
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10
La pérdida de un electrón es __________ y la ganancia
de un electrón es ____________.
A
B
C
D
11
Slide 46 / 141
oxidación, reducción
reducción, oxidación
catálisis, fosforilación
fosforilación, catálisis
NADH es la forma reducida de NAD+.
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Verdadero
Falso
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Tipos de Respiración Celular
Las células siguen diferentes caminos de la respiración
celular en función de la presencia o ausencia de oxígeno.
Las células se pueden clasificar en 3 categorías en base a
su respuesta al oxígeno.
Anaerobios obligados - no pueden sobrevivir en
presencia de oxígeno
Aerobios obligados- son aquellas que requieren oxígeno.
Anaerobios facultativos -son aquellas que pueden
sobrevivir en presencia o ausencia de oxígeno.
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Las Etapas de la Respiración
La respiración celular consiste de cuatro etapas:
·
·
·
·
Glicólisis
Decarboxilación del Piruvato
El ciclo del ácido cítrico (Ciclo de Krebs.
FosforilaciónOxidativa
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Glicólisis
La Glicólisis es la primera etapa de la respiración celular. Se trata de
la descomposición de la glucosa, un azúcar de 6 carbonos en 2
moléculas de piruvato, un azúcar de 3 carbonos
C6H12 O6
(Glucosa)
2 ATP
2 NAD+
Glicólisis
2 NADH
4 ATP
2 C3H4O3 (Piruvato)
12
Glucólisis es la ruptura
de la molécula de
glucosa
Se necesitan algunos ATP
para comenzar el proceso
(Ea)
El resultado neto es:
Se forman 2 ATP
junto con 2
NADH y los 2
piruvatos.
Hasta hace 2.5 billones de años no había oxígeno en
la atmósfera terrestre. ¿Cuál de los siguientes no estaba
presente?
A
B
C
D
anaerobios facultativos
anaerobios obligados
aerobios obligados
bacterias
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13
Slide 52 / 141
¿Cuánta energía de activación se requiere para
comenzar la glicólisis?
A 0 ATP
B 1 ATP
C 2 ATP
D 4 ATP
14
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Los productos netos de la glucólisis son:
A
B
C
D
2 piruvatos
2 NADH y 2 piruvatos
2 ATP, 2 NADH, y 2 piruvatos
4 ATP, 2 NADH, y 2 piruvatos
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Descarboxilación del piruvato (DP)
El ciclo del ácido cítrico puede procesar sólo moléculas con 2
carbonos y el piruvato es una molécula con 3 carbonos: C H O
3
2 C3H4O3 (Piruvato)
2 NAD+
PDC
2 NADH
2 CO 2
4
3
La DP es una reacción
catalizada por una enzima
que toma las 2 moléculas de
piruvato y las convierte en 2
moléculas de que son
moléculas con 2 átomos de
carbono.
2 Acetil Co-A
La energía es almacenada
durante la DP a partir de la
conversión de 2 NAD+ a 2
NADH y los carbonos extra del
piruvato son eliminados como
CO2.
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El cliclo del ácido cítrico
Esto muestra un ciclo,
originado por una
molécula de Acetil CoA.
Para una molécula de
glucosa se necesitan
dos ciclos.
Vamos a contabilizar
la salida de un ciclo
para confirmar
nuestros resultados.
Ciclo del ácido cítrico
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El ciclo del ácido cítrico
Esta es una vuelta del ciclo
debido a 1 Acetil Co-A.
Nota la producción de:
1 ATP
3 NADH
1 FADH2
Pero 1 molécula de
glucosa produce 2
moléculas de Acetil Co-A
(entonces 2
vueltas del ciclo
producen:)
Ciclo del ácido cítrico
2 ATP
6 NADH
2 FADH2
Cliquea aquí para ver un vídeo del ácido
cítrico
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El ciclo del ácido cítrico
El ciclo del ácido cítrico se llama también Ciclo de Krebs.
El ciclo desarma una molécula de Acetil-CoA por cada turno
generando 1 ATP,3 NADH, 2 CO y 1 FADH por Acetil-CoA.
2
2
Ya que 2 moléculas de Acetil-CoA se arman a partir de cada
molécula de glucosa, el Ciclo de Krebs produce 2 ATP; 6 NADH;
4CO , y 2 FADH por cada molécula de glucosa.
2
2
15 La
glucólisis produce ____ ATP.
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La descarboxilación del piruvato produce ____ ATP.
El ciclo del ácido cítrico produce _____ ATP.
A
B
C
D
16
1, 1, 2
4, 0, 2
4, 0, 4
2, 0, 2
Durante la descarboxilación del piruvato un piruvato
de 3 carbonos se convierte en 2 Aceltil Co-A de 2 átomos
de carbono. ¿Qué sucede con los otros átomos de
carbono en este proceso?
A Son eliminados como moléculas de CH4
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B Son eliminados como moléculas de CO2
C Se unen covalentemente al NADH
D Son reciclados para volver a obtener glucosa
17
En total, las 3 primeras etapas de la respiración celular
producen, ¿cuántas moléculas de dióxido de carbono
A
B
C
D
1
2
3
6
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Slide 61 / 141
Fosforilación oxidativa(FO)
Hasta ahora hemos hecho un montón de trabajo para obtener
una ganancia neta de 4 ATPs.
Pero hemos almacenado una gran cantidad de energía
potencial en forma de NADH y FADH2.
La gran recompensa de la energía está en la fosforilación
oxidativa, donde convertimos la energía almacenada en las
moléculas de ATP.
Fosforilación oxidativa(FO)
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Ahora vamos a convertir todo el NADH y FADH2 en ATP, por lo que
la energía se puede almacenar toda la célula.
Aquí es donde el ciclo comienza
Etapa
NADH
FADH2
ATP
Glicólisis
2
0
2
PD
2
0
0
CAC
6
2
2
Total
10
2
4
Cuando el O2 está presente obtenemos alrededor de 3 ATP por
NADH y 2 ATPpor FADH2 . De manera que, ¿cuántos ATP
tendríamos al final de la siguiente etapa?
Cadena transportadora de
electrones (CTE)
La fosforilación oxidativa es alimentada por la cadena
transportadora de electrones.
Una forma de pensar en la CTE es como una bomba de
protones.
La CTE transporta los electrones, a través de reacciones
químicas, hacia afuera y luego vuelve a través de la membrana
plásmática. El efecto neto es bombear protones desde el interior
hacia el exterior de la membrana plasmática, creando un gradiente
de protones que se utiliza para alimentar la fosforilación oxidativa.
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Cadena transportadora de
electrones (CTE)
El
patrón
de
protones
está en
rojo.
Espacio
intermembrana
El patrón
de
electrones
está en
negro.
La CTE no produce ATP, pero permite la fosforilación oxidativa, a
cuenta de la mayoría del ATP producido.
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CTE anaeróbica
Por los primeros 2 millones de años de vida en la Tierra, la
respiración anaeróbica (sin O2) era el único medio de obtener
energía de los alimentos.
Estos organismos utilizan los aceptores de electrones, NO3-,
SO42-, o CO2 para jalar de los electrones a través de la CTE
Estas moléculas aceptarían a los electrones en el extremo de la
cadena formando N2, H2S, y CH4, respectivamente
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CTE anaeróbica
Pero luego, ocurrió la Revolución del Oxígeno 2.5 billones de
años antes, inundando el planeta con oxígeno.
En la respiración aeróbica, el aceptor final de electrones de la
cadena de transporte es el O ; formando agua (H O). El
oxígeno atrae electrones fuertemente, para completar su nivel
externo. Esto tirón más fuerte produce mucha más energía
disponible para la vida, permitiendo la existencia de cadenas
alimentarias más complejas como vemos hoy.
2
Cliquéa aquí para ver un video
de CTE
2
18
¿Cuál de los siguientes de forma durante la cadena
transportadora de electrones en células humanas?
Slide 67 / 141
I ATP
II NADH
III gradiente de protones
IV H2O
A I, II, III, IV
B I, II sólo
C III sólo
D III, IV sólo
19
Los aerobios obligados usan cuál de los siguientes
como su aceptor final de electrones?
Slide 68 / 141
A CO2
B NO3C O2
D SO42-
Fosforilación oxidativa (OP)
La CTE crea un potencial electrostático positivo fuera de la
membana plasmática y un potencial negativo en el interior. El
exceso de protones en el exterior, está fuermente atraído hacia el
interior, pero está bloqueado por la membrana. Un camino está
abierto para los protones, pero se debería hacer trabajo para
usarlo.
La síntesis de ATP es esencialmente un motor, construido de
proteínas. Los protones deberían viajar a través de ese motor para
volver a la célula, creando una corriente eléctrica que enciende el
motor.
A medida que el motor gira, se agrega un grupo fosfato al ADP,
creando ATP. La energía eléctrica es transformada en energía
química.
Cliquea aquí para ver un vídeo de
síntesis de ATP
Slide 69 / 141
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Fosforilación oxidativa
La analogía hidroeléctrica
El Hoover Dam
es una estructura
masiva que
contiene la
energía potencial
de 9 trillones de
galones de agua
Fosforilación oxidativa
Slide 71 / 141
La analogía hidroeléctrica
Tal como la fosforilación
oxidativa crea un gradiente luego
de que la energía almacenada
permitiendo que el agua pase a
través de una pequeña tubería,
transformándola en energía
cinética.
Fosforilación oxidativa
La analogía hidroeléctrica
Las enormes turbinas están
girando causando que la
energía cinética sea convertida
en energía mecánica la que es
utilizada para producir energía
eléctrica.
Slide 72 / 141
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Respiración aeróbica
Calculamos anteriormente que se podría esperar
obtener 38 moléculas de ATP por el tiempo que se
habría convertido todo el NADH y el FADH2 en ATP.
El rendimiento real es de entre 36 a 38 moléculas de
ATP por molécula de glucosa.
La razón para la pequeña varianza es que en algunos
casos se necesita energía para el transporte de las
moléculas de NADH hacia el sitio de la CTE.
20
Slide 74 / 141
La síntesis de ATP...
A
B
C
D
sintetiza ATP
es una enzima
es una proteína compleja
todos los de arriba
21 La energía liberada por la cadena de transporte de
electrones es utilizada para la bomba de iones H+ dentro
¿de qué lugar?
A en el exterior de la membrana
Respuesta
B en el interior membrana
Slide 75 / 141
22
¿Cuál es el número máximo de ATP producido a partir
de la ruptura de una molécula de glucosa?
A
B
C
D
Slide 76 / 141
4
18
36
38
Slide 77 / 141
La versatilidad del catabolismo
Las vías catabólicas canalizan electrones desde muchos
tipos de moléculas orgánicas en el interior de la respiración
celular.
· la glucólisis acepta un amplio rango de carbohidratos
· las proteínas deben ser degradadas en aminoácidos; los grupos
amino pueden alimentar la glucólisis o el ciclo del ácido cítrico.
· las grasas son degradadas en glicerol el que es utilizado en la
glucólisis. Un gramo oxidado de grasas produce más que el doble
de la cantidad de ATP que se origina de un gramo de
carbohidratos oxidados.
La versatiliadad del catabolismo
Etapa 1: ruptura de las
macromoléculas en
unidades más pequeñas
Etapa 2: ruptura de
subunidades simples a
Acetil Co-A acompañada
por la producción
limitada de ATP y NADH
Etapa 3: la oxidación
completa de acetil CO-A
a H2= y CO2 implica la
producción de mucho
NADH, que produce
mucho ATP vía
transporte de electrones
Slide 78 / 141
Slide 79 / 141
Fermentación
Volver a la
tabla de
contenidos
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Fermentación
Cuando no están disponibles los aceptores de
electrones, los anaerobios obligados y los aerobios
facultativos pueden aún degradar glucosa y liberar
energía a través de un proceso llamado
fermentación.
La fermentación comienza justo como lo hace la
respiración celular, con la glucólisis.
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Fermentación
La glucólisis resulta en 2
moléculas de piruvato y 2
moléculas de NADH .
Sin un aceptor de electrones, la
energía almacenada en esas
moléculas no se puede utilizar.
2
La ganancia neta de energía es
sólo 2 ATP(Recuerda 2 fueron
invertidos y 4 se produjeron, la
ganancia neta es 2)
C6H12 O6
(Glucosa)
2 ATP
2 NAD
+
Glucólisis
4 ATP
2 NADH
2 C3H4O3 (Piruvato)
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Fermentación
Sin embargo, el piruvato todavía
necesita ser limpiado desde la
célula, y el NADH ser convertido
nuevamente a NAD+ para
comenzar otro ciclo.
Este proceso es llamado
fermentación.
C6H12 O6
(Glucosa)
2 ATP
2 NAD
+
Glucólisis
4 ATP
2 NADH
2 C3H4O3 (Piruvato)
No se libera energía adicional
durante este proceso.
Slide 83 / 141
Tipos de fermentación
Existen dos tipos de fermentación:
· fermentación ácido-láctica
· fermentación alcohólica
2 C3H4O3 (Piruvato)
2 NADH
Fermentación
2 NAD
+
OR
Fermentación
ácido-láctica
Fermentación
alcohólica
2 ácidoláctica
CO2 y
2 etanol
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Fermentación
La fermentación descompone los productos de la glucólisis de manera
que la glucólisis puede repetirse con otra molécula de glucosa.
1 molécula de glucosa produce
2 ATP, 2 Piruvatos y 2
NADH. Esto es la entrada a la
etapa de la fermentación de la
respiración anaerobia.
2 NADH
2 C3H4O3 (Piruvato)
Fermentación
2 NAD
+
Fermentación
ácido-láctica
Los piruvatos y los NADH son
fermentados en 2 NAD y o en
ácido láctico o CO2 y etanol.
O
Fermentación
alcohólica
2 ácidoláctico
CO2 y
2 etanol
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Fermentación
El resultado de los pasos combinados de la glucólisis y la
fermentación es:
· la entrada es 1 Glucosa + 2 moléculas de ATP
· la salida es 4 moléculas de ATP (para una ganancia neta de 2
ATP)
En síntesis,
· La fermentación láctica resulta en ácido láctico
· La fermentación alcohólica resulta en etanol y CO
2
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Respiración celular vs. fermentación
La gran diferencia es que para cada molécula de
glucosa:
la respiración celular aeróbica produce 36 a 38
ATP
la fermentación sólo produce 2 ATP
Ejemplos de fermentación
· Algunas bacterias anaerobias se basan solamente en la
fermentación, tales como Lactobacillus, que se utiliza para hacer
queso y yogur.
· El alcohol en el vino, cerveza, se produce a partir de la levadura
un facultativo anaerobio que produce la fermentación del etanol.
· El pan se leuda debido a la liberación de burbujas de CO2 por la
fermentación de la levadura.
· Los músculos queman después de una extenuante sesión de
ejercicios, ya que no se pueden obtener suficiente O2, por lo que
llevan a cabo la fermentación del ácido láctico. El ácido láctico es
el que da la sensación de ardor y dolor.
Slide 87 / 141
23
Slide 88 / 141
Cuando una célula ha completado la glucólisis y la
fermentación láctica, los productos finales son:
I ácido láctico
II etanol
III dióxido de carbono
IV NADH
V ATP
24
C
D
I, II, III, IV, V
I, II, III, V
I, IV, V
I, V
Slide 89 / 141
El pan leuda debido a la producción de _______
durante la fermentación.
A
B
C
D
etanol
dióxido de carbono
ácido láctico
piruvato
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Los músculos producen ácido láctico durante el
ejercicio intenso. Además, los músculos son ejemplo de,
¿que tipo de célula?
A anaerobios facultativos
B aerobios facultativos
C anaerobios obligados
D aerobios obligados
Respuesta
25
A
B
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Fotosíntesis
Volver a la
tabla de
contenidos
Slide 92 / 141
Fotosíntesis
La respiración obtiene energía a partir de la glucosa y la almacena
como ATP.
¿Pero cuál es la fuente de glucosa?
Y, ¿de dónde vino el oxígeno que flotaba en la Tierra 2.5 billones de
años atrás?
Respiración aeróbica vs. fotosíntesis
Aquí está la ecuación química balanceada para la respiración
aeróbica
C H O + 6O
6
12
6
2
6CO + 6H O + ATP
2
2
Y aquí la ecuación química balanceada para la fotosíntesis:
6CO2 + 6H2O + Energía lumínica
C 6H12O6 + 6O2
Slide 93 / 141
Slide 94 / 141
Respiración aeróbica vs. fotosíntesis
C H O + 6O
6
12
6
6CO + 6H O + ATP
2
2
2
La respiración aeróbica usa oxígeno (O ) y glucosa (C H O ) para
2
6
12
6
formar dióxido de carbono (CO ) y agua (H O)... y liberar energía.
2
2
6CO2 + 6H2O + Energía lumínica
C 6H12O6 + 6O2
La Fotosíntesis es exactamente el opuesto, toma el
dióxido de carbono (CO ) y el agua (H O) más la
energía para producir glucosa (C H O )
y oxígeno(O )
2
2
6
12
6
2
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Fotosíntesis y respiración
Sumando estas dos ecuaciones se observa que el ATP es usado por
las células deriva de la energía lumínica, desde el Sol. Esta es la
fuente de energía de la mayor parte de la vida en la Tierra
C6H12 O6 + 6O2
6CO 2 + 6H2O + ATP (Energy)
6CO2 + 6H2O + Energía lumínica
Energía lumínica
C 6H12O6 + 6O2
ATP (Energía)
Slide 96 / 141
Fotosíntesis y respiración
Energía lumínica
ATP (Energía)
Excepto para un pequeño número de bacteriasa que viven de reacciones
químicas en un entorno extremo, la energía para toda la vida en la Tierra
proviene de esos procesos... de la energía solar. A pesar de que no todos
los organismos experimentan la fotosínteis, los productos que los plantas
producen son utilizados en reacciones que los consumidores utilizan. De
esta manera, podemos decir que. .
¡Todos somos energía solar en potencia!
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26 ¿Cuáles son los reactivos de la respiración celular?
Oxígeno y agua
B
Glucosa y dióxido de carbono
C
Glucosa y agua
D
Glucosa y oxígeno
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¿Cuáles son los productos de la fotosíntesis?
A
Glucosa y oxígeno
B
Oxígeno y agua
C
Glucosa y dióxido de carbono
D
Dióxido de carbono y agua
Respuesta
27
A
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¿Cuáles son los reactivos de la fotosíntesis?
A
Dióxido de carbono y agua
B
Oxígeno y agua
C
Glucosa y oxígeno
D
Glucosa y dióxido de carbono
Respuesta
28
Slide 100 / 141
La fotosíntesis ____________ energía mientras que
la respiración celular __________ energía
A
consume, produce
B
produce, consume
C
produce, produce
D
consume, consume
Respuesta
29
Slide 101 / 141
Nuestras preguntas originales
¿Cuál es la fuente de glucosa?
¿De dónde vino el oxígeno que flotaba en la Tierra hace 2.5 Billones
de años atrás?
Slide 102 / 141
Fotosíntesis
Los productos de la fotosíntesis son:
·
oxígeno (O )
·
glucosa (C H O )
2
6
12
6
La fotosíntesis produce la glucosa que alimenta a la respiración,
y, finalmente, a todos nosotros.
La fotosíntesis también produjo el oxígeno que llenó la atmósfera
e hizo posible la vida compleja, como la conocemos ahora.
Slide 103 / 141
La catástrofe del oxígeno
La fotosíntesis y el aporte de oxígeno a la atmósfera de la Tierra,
comenzaron alrededor de 2.5 billones de años atrás y tuvo su
mayor impacto alrededor de 2.0 billones de años atrás.
Esto se llamó la catástrofe del oxígeno porque causó la
extinción de un gran número de anaerobios obligados. Algunos
sobreviven hoy en día, pero sólo en lugares donde no estén
expuestos a la atmósfera.
Slide 104 / 141
Fotosíntesis
6CO2 + 6H2O + Energía luminosa
C 6H12O6 + 6O2
Esta simple ecuación resume el resultado de la fotosíntesis: sus
reactivos y productos.
Sin embargo, los procesos que hacen posible la fotosíntesis no son
muy simples.
Al igual que las cuatro etapas de la respiración resultan en una
ecuación simple, el proceso en sí es complicado.
Del mismo modo, el proceso de fotosíntesis es complicado. Y en
cierto modo similar a los pasos de la respiración, pero al revés.
Slide 105 / 141
En la comparación de la respiración aeróbica con la
fotosíntesis, ¿qué afirmación es verdadera?
A
B
C
D
el oxígeno es un producto de desecho en la
fotosíntesis, pero no en la respiración
la glucosa se produce en la respiración pero no en
la fotosíntesis
el dióxido de carbono se forma en la fotosíntesis
pero no en la respiración
el agua se forma en la fotosíntesis pero no en la
respiración
Respuesta
30
Slide 106 / 141
NADPH
Durante la respiración las moléculas de NAD+ y FAD se
usan para almacenar energía.
La fotosíntesis usa la molécula NADP+, que es muy
parecido al NAD+, para almacenar energía, y convertirlo entre
sus dos etapas
La forma reducida del NADP+ es el NADPH.
Clorofila
Slide 107 / 141
La fotosíntesis depende también de la clorofila, una molécula
que absorbe la luz roja y azul-violeta y la utiliza para exitar a
los electrones y llevarlos a un nivel de energía más alto.
La Clorofila le da a las
plantas su color verde.
Tilacoides
La clorofila se encuentra en los tilacoides, que son estructuras
unidas a las membranas de las células fotosintéticas.
Slide 108 / 141
31 El
Slide 109 / 141
NAD+ es al NADP+ como el NADH es al ______.
A NADP2+
B NADP
C NADPH
D NADPH2
32 ¿Cuál de las siguientes se encuentra almacenada en los
tilacoides?
Slide 110 / 141
A ATP
B clorofila
Dos tipos de fotosíntesis
Hay dos tipos de fotosíntesis:
Transporte cíclico de energía
Transporte no cíclico de energía
Respuesta
C NADH
D NADPH
Slide 111 / 141
Slide 112 / 141
Transporte cíclico de energía
El transporte cíclico de energía fue probablemente el primer
tipo de fotosíntesis que se originó
No forma glucosa, sólo convierte la energía solar en ATP.
Slide 113 / 141
Transporte cíclico de energía
El transporte cíclico de energía utiliza el Fotosistema I, un complejo
proteico incrustado en la membrana tilacoide para convertir la energía
luminosa en ATP.
Fotosistema I
Cadena de Transporte de Electrones
e-
Energía de las moléculas
e-
ATP
Sintasa
eeclorofila
ADP + Pi
ATP
Este proceso es
"cíclico" porque los
electrones finales
vuelven a la clorofila
después de la
generación del ATP.
fotón
Slide 114 / 141
El transporte no cíclico de energía surgió antes del
transporte cíclico de energía.
Verdadero
Falso
Respuesta
33
34
Slide 115 / 141
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el transporte
cíclico de energía es verdadero?
A El transporte cíclico de energía requiere agua
B La glucosa se produce por transporte cíclico de energía
C El transporte cíclico de energía reduce el NADP+
D
La energía lumínica se convierte en energía
química durante el transporte cíclico de energía.
Slide 116 / 141
Transporte no cíclico de energía
Hay dos grandes etapas en el transporte no cíclico de energía:
Reacciones dependientes de la luz
Reacciones independientes de la luz (Ciclo de Calvin )
Reacciones dependientes de la luz
Las reacciones dependientes de la luz se producen en las
estructuras unidas a la membrana llamados tilacoides
Es necesario contar con una superficie de la membrana que
separa el interior del exterior de un volumen cerrado, los
tilacoides proporcionan esto. El interior se llama el lumen; el
exterior se llama el estroma.
Slide 117 / 141
Slide 118 / 141
Reacciones dependientes de la luz
Las reacciones dependientes de la luz usan energía lumínica y
agua para formar ATP, NADPH, y oxígeno gaseoso.
2 H O + 2 NADP + 3 ADP + 3 P
+
2
O + 2NADPH + 3 ATP
i
2
Este proceso requiere 2 fotosistemas, el fotosistema II y el
fotosistema I. Se presentan en este orden ( fueron nombrados
en el orden en que fueron descubiertos).
Slide 119 / 141
Tilacoides
Esto muestra la membrana, que separa el estroma del lumen, los dos
fotosistemas y las enzimas, la ATP sintasa y la NADP reductasa.
Las reacciones de luz usarán
el Fotosistema II y el
Fotosistema I para crear un
exceso de protones en el
estroma, y un déficit en el
lumen.
La única forma en que los protones puedan volver al lumen, es a
través de la ATP sintasa, para producir ATP.
Slide 120 / 141
Fotosistema II
En primer lugar, el Fotosistema II absorbe la luz y da energía a los
electrones, dividiendo una molécula de agua en el proceso. Aquellos
se utilizan para bombear protones a través de la membrana, creando
una diferencia de potencial eléctrico que se utiliza para crear ATP.
Fotosistema II
Cadena de transporte de electrones
e-
Energía de las moléculas
e-
ATP
Sintasa
ADP + Pi
ATP
ee-
H2O
O2 + 2H+
e-
fotón
clorofila
al fotosistema I
Slide 121 / 141
Fotosistema I
Entonces, el fotosistema I absorbe más luz y re-energiza los
electrones. Se utilizan para almacenar energía mediante el uso de
NADP reductasa para reducir el NADP + a NADPH (adición de
electrones al NADP +, en lugar de devolverlos a la clorofila como en
el transporte cíclico de energía). Fotosistema I
e-
e-
NADP
Reductasa
NADP+
Energía de las moléculas
NADPH
e-
de e
des
l foto
siste
ma
II
clorofila
efotón
Slide 122 / 141
35 El interior del tilacoide se llama la ______ y el exterior se
denomina ______.
lumen, estroma
B
estroma, lumen
Respuesta
A
36
Las reacciones dependientes de la luz producen ____ ATP y ____
NADPH por cada O2 producido.
A
B
C
D
1, 1
2, 3
3, 2
2, 4
Slide 123 / 141
Slide 124 / 141
El agua se divide, liberando O2, ¿en cuál complejo de
proteínas?
A el fotosistema I
B el fotosistema II
C ATP sintasa
D NADP reductasa
Respuesta
37
Reacciones independientes de la luz
Slide 125 / 141
El ATP y el NADPH formados durante las reacciones
dependientes de la luz avanzan hacia las reacciones
independientes de la luz. Las reacciones independientes de
luz también se conocen como Ciclo de Calvin o reacciones
oscuras.
Estas reacciones pueden ocurrir con luz o en oscuridad, por
lo tanto oscuras no es un nombre preciso.
El ciclo de Calvin utiliza el ATP y el NADPH para convertir el
CO2 en glucosa (C6H12O6) en un proceso de múltiples fases.
Reacciones independientes de la luz
En 3 vueltas del
ciclo usamos
9 ATP,
6 NADPH
y
3 CO2
para formar un
azúcar de 3
carbonos
Slide 126 / 141
Reacciones independientes de la luz
Slide 127 / 141
Para formar una molécula
de glucosa, de 6 carbonos
se requieren:
18 ATP
12 NADPH
y
6 CO2
El Ciclo del carbono
Slide 128 / 141
El ciclo de Calvin también se llama fijación de carbono.
Esto significa que el carbono, un gas en la atmósfera, en
forma de CO2, se convierte en un sólido como la glucosa.
Cuando se utiliza la glucosa en la respiración, el carbono se
libera a la atmósfera nuevamente.
Este proceso de fijación y liberación de carbono se llama el
ciclo del carbono. El carbono no se crea ni se destruye, pero
los circula a través del medio ambiente.
Slide 129 / 141
Transporte de energía ciclica vs. no cíclica
Las reacciones luminosas producen cantidades iguales de
ATP y NADPH, pero el ciclo de Calvin utiliza más ATP (18)
que el NADPH (12) para hacer una molécula de glucosa.
Para tener suficiente ATP, los organismos fotosintéticos usan
el transporte cíclico de energía para crear el ATP necesario.
38
A
B
C
D
39
Slide 130 / 141
El dióxido de carbono se fija en forma de glucosa en
el ciclo de Krebs
las reacciones dependientes de la luz
el ciclo de Calvin
el transporte cíclico de energía
Slide 131 / 141
¿En qué etapa de la fotosíntesis son el ATP y el NADPH
convertidos a ADP + Pi y NADP +?
reacciones dependientes de la luz
reacciones independientes de la luz
fotosistema I
fotosistema II
Respuesta
A
B
C
D
40
Slide 132 / 141
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la fotosíntesis
es verdadera?
Las reacciones dependientes de la luz sólo pueden
A ocurrir a la luz, las reacciones independientes de
luz sólo pueden ocurrir en la oscuridad.
El
transporte cíclico de energía es más eficiente en
B
la producción de glucosa que el transporte no
cíclico de energía.
C
Las reacciones dependientes de la luz producen
ATP que se utiliza para alimentar el ciclo de Calvin.
D El transporte cíclico de energía sólo lo
producen las bacterias.
41
Slide 133 / 141
El ciclo de Calvin es una vía anabólica .
Verdadero
Respuesta
Falso
Cambio climático global
Slide 134 / 141
El ciclo del carbono juega un papel clave en el cambio
climático global.
La fotosíntesis libera oxígeno al aire, sino que también retiene
el CO2 del aire.
El CO2 es un gas de efecto invernadero, que absorbe la luz
infrarroja que de otro modo se llevaría el calor de la Tierra, al
espacio; enfriando la Tierra
Cambio climático global
Si no fuera por el CO2 y otros gases de efecto invernadero, la
Tierra sería mucho más fría, tal vez demasiado fría para
sostener la vida tal como la conocemos.
Los gases de efecto invernadero son esenciales para la
vida.
Sin embargo, la cantidad de gases de efecto invernadero en
la atmósfera de la Tierra es crítica para mantener una
temperatura media constante en el planeta.
Slide 135 / 141
Cambio climático global
Slide 136 / 141
Una gran cantidad de carbono estaba atrapado bajo la
superficie de la Tierra por las formas de vida que murieron
durante muchos millones de años, llevando al carbono fuera
del ciclo del carbono.
Eso redujo el CO2 en la atmósfera, y esta reducción hizo que
disminuyera la temperatura de la Tierra permitiendo al calor
salir, lo que llevó a nuestra temperatura actual.
Cambio climático global
Slide 137 / 141
Los hidrocarburos que usamos para obtener energía (gas
natural y petróleo) se formaron a partir de la descomposición
de animales y plantas que murieron hace mucho tiempo.
Cuando se queman estos combustibles, se libera CO2 que
vuelve hacia la atmósfera, haciendo que aumenten demasiado
los gases de efecto invernadero.
Cambio climático global
Como resultado, más calor está siendo atrapado en la
atmósfera, y el balance de la energía que llega a la Tierra del
Sol y la liberada desde la Tierra como radiación infrarroja está
cambiando.
Esto está causando que la temperatura media de la Tierra
aumente.
El efecto de este aumento de temperatura no es que la
temperatura sube en todos los lugares ni en todos los años
necesariamente.
Pero se prevé que habrá grandes cambios en el clima en el
futuro, con los cambios que acompañan en el nivel del mar,
cultivos, plantas y la vida animal, etc.
Slide 138 / 141
42
Slide 139 / 141
Los gases de efecto invernadero son peligrosos y deberían ser
reducidos tanto como sea posible.
Verdadero
Respuesta
Falso
Slide 140 / 141
43
El carbono fue usado a partir del ciclo del carbono,
reduciendo el CO en el aire, a medida que __________
2
A la cantidad de vida en la Tierra disminuía
B los animales morían y quedaban enterrados
C comenzó la fermentación
D todos los de arriba
Respuesta
E Ninguno de los de arriba
Un invierno muy caluroso estaría indicando que está ocurriendo
un cambio climático global.
Verdadero
Falso
Respuesta
44
Slide 141 / 141