BIOLOGÍAJM: ANABOLISMO

 

Fotosíntesis:

Concepto : La fotosíntesis es un complejo proceso anabólico privativo de los vegetales con clorofila, cianobacterias y algunas bacterias. Gracias a este proceso incorporan materia (CO2, H2O, NO3-, SO42-) y energía (solar), transformando estos compuestos minerales en otros compuestos orgánicos (glúcidos, etc.) La trascendencia de la fotosíntesis estriba, además, en el desprendimiento de oxígeno que conlleva, el cual, incorporado al medio ambiente, equilibra el desgaste continuo que de este elemento tiene lugar por el proceso respiratorio de todos los seres vivos.

Ecuación global de la fotosíntesis

- Descripción general:

                       Luz

 H2D + A ----------------------------> H2A + D

                        Clorofila

 

                                   Luz

6 CO2 + 6 H2O -----------------> C6H12O6 + O2

                                 Clorofila

 

                                      Luz

6 CO2 + 12 H2O -------------------> C6H12O6 + 6 O2 + 6H2O fotosíntesis oxigénica

                               Clorofila

 

                                 Luz

CO2 + 2 H2S -------------------> C6H12O6 + 2 S + H2O fotosíntesis anoxigénica

                             Clorofila

 

De múltiples observaciones experimentales, se deduce que para que se realice la fotosíntesis SE REQUIERE:

- Cloroplastos 

- Presencia de la luz

- Concurso de la clorofila y otros pigmentos (carotenos, ficobilinas, etc)

- Dióxido de carbono (CO2)

- Agua.

Como consecuencia del fenómeno SE OBTIENE:

- Desprendimiento de O2

- Formación de compuestos orgánicos (síntesis)

Y se ha visto asimismo que los productos iniciales son:

CO2 + H2O, y también pueden ser: NO3-, SO42-

y los productos finales:

Compuestos orgánicos y O2

La fotosíntesis, que, como hemos dicho, es un proceso muy complejo, comprende numerosas reacciones químicas. De ellas, unas utilizan necesariamente la energía lumínica; otras, no. Basándose en esto, para estudiarla fotosíntesis se consideran dos fases:

Fase lumínica: Conjunto de reacciones que requieren luz.

Fase oscura: Conjunto de reacciones que no requieren luz.

Estas dos fases se realizan simultáneamente.

Fase lumínica. Reacciones fotoquímicas

La energía lumínica que llega del Sol en forma de fotones es absorbida por la molécula de clorofila; ésta se excita, emite un electrón que pasa a un nivel energético superior, cediendo su energía al volver a su posición inicial, quedando de nuevo la clorofila en condiciones de repetir el proceso.

Fase lumínica o fotosintética:

a) Captación o absorción de la energía luminosa. 

b) Fotolisis del agua: H2O -------------> 2 H+ + 1/2 O2 + 2 e

c) Formación de ATP o fotofosforilación: ADP + Pi --------------> ATP 

d) Formación de un compuesto reductor y trasporte de electrones: NADP + 2H+ ---------------> NADPH2

La fotosíntesis es posible, gracias a los pigmentos y los fotosistemas, constituidos por:

- Antena colectora

- Centro de reacción fotoquímico.

En la membrana tilacoidal existen, dos fotosistemas:

- El fotosistema I o P700

- Fotosistema II o P680

- Aceptores y dadores de electrones: (Fotosistema II), Feofitina, Plastoquinona, complejo citocromo b6- f, plastocianina , (fotosistema I) ferredoxina y complejo NADP reductasa . Es decir cadena transportadora de electrones.

- ATP asa, ATP sintetasa o partícula F

La energía de los fotones se fija al ADP, formándose ATP: fosforilación fotosintética o fotofosforilación.

Simultáneamente, el agua se escinde en sus dos componentes o fotolisis y dos electrones.

El oxígeno del agua se desprende como subproducto, mientras que el hidrógeno es captado, junto con los electrones, por un aceptor de hidrógeno, el NADP (Nicotin-amida-adenosíndinucleótido fosfato), formándose NADPH2, fotorreducción.

Las reacciones de la fase lumínica tienen lugar en los grana de los cloroplastos, concretamente en los tilacoides.

La existencia de los dos fotosistemas permite un flujo no cíclico (el visto hasta ahora, con formación de ATP (fotofosforilación acíclica o esquema en Z) y NADPH) y cíclico (se forma solo ATP, fotofosforilación cíclica) de los electrones

Fase oscura. Reacciones biosintéticas

Esta fase se realiza independientemente de la luz. Consiste en la fijación del CO2 para combinarse con el H2 captado por el NADPH2.

El CO2 se reduce mediante una serie de reacciones complicadas que constituyen el ciclo de Calvin, dando como resultado final compuestos orgánicos. Por cada molécula de CO2 fijada se necesita de 3 ATP y 2 de NADH2

Uno de los primeros compuestos orgánicos formados es la glucosa, glúcido de seis átomos de carbono, quedando así transformada la ener­gía lumínica en energía química. Para ello se necesitan fijar 6 CO2 y por lo tanto se necesitan 18 ATP y 12 de NADH2

Resumiendo: Fase oscura

a) Absorción del CO2

b) Ciclo de Calvin (reducción del CO2).

c) Formación de compuestos orgánicos.

Las reacciones de la fase oscura tienen lugar en el estroma de los cloroplastos.

El proceso fotosintético completo, con sus dos fases, podría quedar esquematizado así:

 

EL PROBLEMA DE LA FOTORRESPIRACIÓN

Supone que la enzima Ribulosa carboxilasa o Rubisco funciona como oxidasa en lugar de carboxilar. Todo ello supone una falta de eficacia en la fotosíntesis. Algunas plantas han resuelto este problema: plantas C4 y CAM

- El ciclo de Hath – Slack o vía de las plantas C4 

- Las plantas CAM (metabolismo ácido de las crasulaceas), realizan la fotosíntesis C4 de día y absorben el CO2 de noche de esta manera evitan la evaporación del agua al mantener cerrados los estomas durante las horas con más insolación.

Estas plantas llevan a cabo el ciclo de Calvin, es decir el ciclo C3 de l mayor parte de las plantas y el ciclo C4 específico de ellas, en distintos lugares: Mesófilo y vaina vascular 

SÍNTESIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS:

- Síntesis de compuestos de carbono

- Síntesis de compuestos con nitrógeno o fijación del N

- Síntesis de compuestos con azufre o fijación del S

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ACTIVIDAD FOTOSINTÉTICA

- Intensidad luminosa

- Concentración de CO2

- Concentración de 02

- Temperatura

FOTOSÍNTESIS BACTERIANA ANOXIGÉNICA

Estas bacterias disponen de un único fotosistema, localizado en vesículas fotosintéticas o cromatóforos de la membrana plasmática. Los pigmentos fundamentales son las bacterioclorofilas

- Sulfobacterias. Utilizan como dador de electrones el H2S y pueden ser sulfobacterias purpúreas que acumulan azufre en su interior, o sulfobacterias verdes que no lo hacen. La fase luminosa es no cíclica, pero interviene un solo fotosistema. La luz incide sobre la bacterioclorofila, los electrones son cedidos a la ferredoxina y de esta a la NADPH reductasa, formándose NADPH2.

- Bacterias no sulfúreas. Utilizan como dador de electrones sustancias orgánicas como alcoholes, ácidos grasos etc. Son, por lo tanto fotoheterótrofas y fotosíntesis representa un medio para obtener ATP a partir de la luz. La fase luminosa es cíclica. La bacterioclorofila se excita y los electrones pasan a la quinona, citocromo b-c, citocromo c2 y finalmente a la bacterioclorofila

ESQUEMA GENERAL DE LA FOTOSÍNTESIS 

 

Por consiguiente, la fotosíntesis, como resultado final, supone:

1. Utilización de la energía lumínica.

2. Fabricación de compuestos orgánicos.

3. Utilización del CO2 de la atmósfera.

4. Enriquecimiento de la atmósfera en O2.

El desprendimiento de O2 es del mayor interés ecológico, pues. sien­do indispensable para la respiración de los seres vivos, y siendo la foto­síntesis la única causa del enriquecimiento en O2 de la atmósfera, es fácil comprender que sí los vegetales verdes desaparecieron de la Tie­rra, el O2 consumido en la respiración de los seres vivos desaparecería en breve plazo, extinguiéndose, en consecuencia, la vida.

Todos los seres vivos están directa o indirectamente vinculados a la fotosíntesis, y las distintas cadenas alimentarias que se forman tienen siempre como primer substrato una planta verde.

El valor global de la fotosíntesis es enorme, aproximadamente se producen 270.000 millones de toneladas de glucosa, de las cuales co­rresponden a los vegetales terrestres sólo el 10 por 100; El 90 por t00 restante corresponde al fitoplancton marino.

El consumo de CO2 por los vegetales es del orden de 396.000 millo­nes de toneladas, por lo cual se agotarían las reservas de CO2, rápidamente, de no existir, como contrapartida, la respiración de todos los seres vivos: vegetales y anímales.

Ouimiosíntesis Ver

Origen de la energía utilizada:

Este es otro proceso anabólico que se diferencia de la fotosíntesis por la procedencia de la energía utilizada, que en el fenómeno quimiosintético es la liberada en determinadas reacciones exotérmicas.

Realizan químíosíntesís únicamente un reducido grupo de bacterias, las llamadas bacterias quimiosintéticas, entre las que figuran las

- Bacterias nitrificantes:

2NH3 +302 ----------------------> 2NO2H + 2H2O + ATP

- Sulfobacterias:
H2S + 2O2 ------------> H2SO4 + ATP

- Ferrobacterias:

4 CO3FE + 6 H2O + O2 -----------> 4Fe (OH)3 + 4CO2 + ATP

Todas estas bacterias realizan la quimiosíntesis del carbono y son quimiolitotroofas

La quimisosíntesis del nitrógeno la realizan bacterias quimioheterótrofas

Otros procesos anabólicos

Además de los ya estudiados. Fotosíntesis y quimiosíntesis, existen otra serie de procesos anabólicos más particulares. Como pueden ser:

- Síntesis de Aminoácidos y proteínas. Los aminoácidos se originan partiendo de intermediarios del ciclo de Krebs, piruvato, etc.

El grupo amino procede de los nitratos, nitritos y del ión amonio:

NO3- + ATP + NADH----------> NO2-+ ATP + NADH------------> NH4+ + ALFA CETO GLUTARATO -------------> GLUTAMATO

Alfa ceto glutarato: COO- - C=O - CH2- COO- Glutamato: COO- - CHNH - (CH2)2 - COO-

                                                          COO-

Esta Asimilación del N, procedente de los nitratos del suelo, es realizada por vegetales verdes. Está interrelacionada con la fotosín­tesis;

- Fijación del N atmosférico por ciertas bacterias (Clostridium y Azotobacter);

- Fijación del N por las leguminosas mediante las bacterias que viven en simbiosis en sus raíces (Rhizobium);

- Anabolismo de los glúcidos o neoglucogénesis, a partir de intermediarios del ciclo de Krebs y siguiendo la vía inversa a la respiración celular hasta formar glucosa. Este tipo de anabolismo se produce tanto en células heterótrofas como autótrofas. Formación de polisacáridos como glucógeno o glucogenogéneis en células animales. Y formación de glúcidos mediante la fotosíntesis propia de las células autótrofas.

- Anabolismo de lípidos. La biosintesis de ácidos grasos se realiza a partir del Acetil CoA añadiendo en ciclos Malonil CoA en un proceso inversos al la beta oxidación o ciclo de Lynnen.

VER ESQUEMA GENERAL METABOLISMO