TEMA 12 \"Anabolismo Autótrofo Y Heterótrofo\" 2º BACHILLERATO BIOLOGÍA PDF

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Documento extenso del tema 12 del temario de Biología 2º Bachillerato ("ANABOLISMO AUTÓTROFO Y HETERÓTROFO") Son apuntes extensos con toda la información necesaria y detallada para obtener buenas notas tanto en los exámenes de 2º Bachillerato como en la Selectividad. Con imágenes, esquemas y explica...

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Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. TEMA 12: ANABOLISMO AUTÓTROFO Y HETERÓTROFO 1. ANABOLISMO 

DEFINICIÓN: El anabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tiene lugar en las células para sintetizar moléculas orgánicas complejas (materia orgánica compleja) a partir de moléculas sencillas, para lo que se necesita suministro de energía, proporcionada por el ATP Lo realizan todos los seres vivos, tanto autótrofos como heterótrofos

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TIPOS DE ANABOLISMO o ANABOLISMO AUTÓTROFO: anabolismo en el que las moléculas iniciales son inorgánicas (H2O, CO2, NO3-) o ANABOLISMO HETERÓTROFO: anabolismo en el que las moléculas iniciales son orgánicas, como glucosa, nucleótidos, aminoácidos…  ANABOLISMO DE AMINOÁCIDOS A PROTEÍNAS: síntesis de proteínas (traducción)

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 ANABOLISMO DE NUCLEÓTIDOS A ÁCIDOS NUCLEICOS: replicación del ADN, transcripción a ARN… ANABOLISMO AUTÓTROFO: el anabolismo autótrofo se puede realizar de dos maneras, mediante la fotosíntesis o mediante la quimiosíntesis o o

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FOTOSÍNTESIS: anabolismo autótrofo que se produce gracias a la energía luminosa (realizado por plantas, algas y algunas bacterias) QUIMIOSÍNTESIS: anabolismo autótrofo que se produce gracias al aprovechamiento de energía desprendida en reacciones químicas (realizado por algunas bacterias)

TIPOS DE ANABOLISMO AUTÓTROFO EN FUNCIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA MATERIA ORGÁNICA: Teniendo en cuenta que los componentes básicos de la materia orgánica son el C, O, H, y N, serán los compuestos inorgánicos sencillos de estos elementos los que constituirán el punto de partida del anabolismo autótrofo. Tales compuestos son: para el C, el anhídrido carbónico (CO 2); para el Nitrógeno, los nitratos (ion NO 3-), y para el H y O, el agua. Como consecuencia de ello, dentro del anabolismo autótrofo se pueden distinguir dos tipos fundamentales: o ANABOLISMO AUTÓTROFO DEL CARBONO (en forma de CO2) o ANABOLISMO AUTÓTROFO DEL NITRÓGENO (en forma de NO3-). El del Hidrógeno y Oxígeno en forma de agua es simultáneo con el del Carbono. En este tema se estudiará la incorporación del C, elemento fundamental en todas las moléculas orgánicas (todas tienen “esqueletos de C e H)

2.

FOTOSÍNTESIS 2.1. CONCEPTO Y TIPOS 

DEFINICIÓN: La fotosíntesis es un proceso anabólico por el cual las plantas, algas y algunas bacterias pueden transformar la energía de la luz en energía química al almacenarla en forma de ATP, que posteriormente se utiliza para sintetizar las moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas. La fotosíntesis es posible gracias a los pigmentos fotosintéticos que son los encargados de captar la energía luminosa.

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TIPOS DE FOTOSÍNTESIS: se distinguen dos tipos de procesos fotosintéticos o FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA: fotosíntesis realizada por plantas, algas y cianobacterias, en la que se libera oxígeno como producto final que procede del agua que actúa como dador de electrones. El oxígeno procede de la fotólisis del agua, ya que la energía de la luz rompe la molécula de agua para producir oxígeno FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA: fotosíntesis realizada por bacterias purpúreas, en la que no se libera oxígeno como producto final ya que el dador de electrones, en lugar de ser el agua, es generalmente el sulfuro de hidrógeno (H2S), por lo que se libera S. PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Y FOTOSISTEMAS o

2.2. 

PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS: Los pigmentos fotosintéticos son sustancias que absorben la energía de la luz que reciben y emiten otra parte, lo que se percibe como el color. Se localizan en la membrana de los tilacoides (en las plantas) o EXPLICACIÓN:   

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Cuando una molécula recibe un fotón , se produce su excitación y un electrón salta a una órbita de mayor energía, alejándose del núcleo y regresa a su órbita emitiendo energía. Puede ocurrir que, al recibir el fotón, el electrón, en lugar de saltar a una órbita de mayor energía, se salga del átomo y lo deje ionizado. El pigmento que contiene dicho átomo queda oxidado.

 La energía que emiten se puede transmitir de unos pigmentos a otros TIPOS DE PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS: Los pigmentos captadores de luz en las plantas verdes son las clorofilas y los carotenoides. En las bacterias fotosintéticas hay bacterioclorofilas o CLOROFILAS: moléculas que constan de dos regiones: un anillo tetrapirrólico con Mg y cuya función es absorber la luz, y una cadena hidrófoba de fitol (isoprenoide, terpeno) que lo mantiene en la membrana  TIPOS DE CLOROFILAS: Las más importantes son la clorofila a y la b ABSORCIÓN DE ENERGÍA LUMINOSA: Las clorofilas absorben longitudes de onda correspondientes al violeta, azul, naranja y rojo, por lo que reflejan el verde o emiten la longitud de onda del verde, y por eso son verdes CAROTENOS / CAROTENOIDES: Los carotenoides son moléculas de tipo isoprenoide, son pigmentos accesorios, que absorben longitudes de onda diferentes a las 

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clorofilas, aumentando el rango de absorción de luz.  TIPOS DE CAROTENOIDES: Los más importantes son el B-caroteno y la xantofila  ABSORCIÓN DE ENERGÍA LUMINOSA: absorben la luz de longitud de onda diferente a la absorbida por las clorofilas, por lo que aumentan el abanico o rango de absorción de luz que puede captarse. Los carotenoides absorben longitudes de onda correspondientes al violeta, azul y verde, por lo que emiten la longitud de onda del naranja, rojo y amarillo, y por eso son naranja-rojos o amarillos Las plantas, en definitiva, absorben todas las longitudes de onda del espectro de luz visible. 1

Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato.  FOTOSISTEMAS: los pigmentos se localizan en la membrana del tilacoide asociados en grupos denominados fotosistemas o DEFINICIÓN: Un fotosistema es un conjunto de pigmentos fotosintéticos compuesto por dos partes: la antena formada por pigmentos que captan la energía luminosa y la transfieren a otros pigmentos y el centro de reacción donde se encuentra el pigmento diana, con un máximo de absorción de la luz de una determinada longitud de onda y que es el capaz de ceder electrones y comenzar una reacción química. o ESTRUCTURA DE UN FOTOSISTEMA  PIGMENTOS ANTENA: cientos de clorofilas (a y b) y carotenoides que son colectores de energía luminosa FUNCIÓN: Los pigmentos antena absorben la luz en distintas longitudes de onda y transmiten la energía de excitación de unos pigmentos a otros hasta llegar al pigmento diana CENTRO DE REACCIÓN: lugar donde se encuentra el pigmento diana, que es una clorofila a  FUNCIÓN: al pigmento diana va a parar toda la energía captada por los anteriores y es el pigmento capaz de ceder el electrón excitado a un aceptor de electrones y de reponerlo a partir de un dador de electrones. Es decir, el pigmento diana es capaz de iniciar una reacción química porque al recibir tanta energía pierde electrones (que repone a partir de un dador de electrones) 

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TIPOS DE FOTOSISTEMAS: En las plantas superiores hay dos tipos de fotosistemas: El fotosistema I (PSI) y el fotosistema II (PSII)  FOTOSISTEMA I (PSI): fotosistema en el que la molécula diana del centro de reacción es la clorofila α1 que posee un máximo de absorción a 700nm y por ello se denomina P700  FOTOSISTEMA II (PSII): fotosistema en el que la molécula diana del centro de reacción es la clorofila α2 que posee un máximo de absorción a 680nm y por ello se denomina P680

2.3. FASES DE LA FOTOSÍNTESIS  FASE FOTOQUÍMICA O FASE LUMINOSA: la fase fotoquímica de la fotosíntesis está formada por un conjunto de reacciones dependientes de la luz que tienen lugar en las membranas de los tilacoides, en las que los electrones liberados tras la incidencia de los fotones de luz sobre los fotosistemas se utilizan para reducir NADP + a NADPH y, a través de la cadena trasportadora de electrones, la energía de estos electrones se utiliza en la síntesis de ATP. o La energía de la luz se acumula en forma de ATP e inicia un transporte de electrones que lleva a la formación de coenzimas reducidos o 

Los electrones y los protones vienen del agua y en el proceso se libera oxígeno

FASE BIOSINTÉTICA O FASE OSCURA: la fase biosintética de la fotosíntesis está formada por un conjunto de reacciones independientes de la luz que tienen lugar en el estroma, en las que se aprovechan la energía almacenada en forma de ATP y el poder reductor de la fase lumínica para reducir y asimilar el carbono del CO2, con el fin de obtener moléculas orgánicas en un proceso de fijación del carbono. Es decir, para formar materia orgánica a partir de materia inorgánica

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Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. 3. FASE FOTOQUÍMICA O LUMINOSA DE LA FOTOSÍNTESIS 3.1. CONCEPTO 

FASE FOTOQUÍMICA O FASE LUMINOSA: la fase fotoquímica de la fotosíntesis está formada por un conjunto de reacciones dependientes de la luz que tienen lugar en las membranas de los tilacoides, en las que los electrones liberados tras la incidencia de los fotones de luz sobre los fotosistemas se utilizan para reducir NADP + a NADPH y, a través de la cadena trasportadora de electrones, la energía de estos electrones se utiliza en la síntesis de ATP. o o

LOCALIZACIÓN: Tiene lugar en las membranas de los tilacoides, en las que se localizan los fotosistemas y el resto de complejos que intervienen en el transporte de electrones y las ATP sintetasas. MODALIDADES: La fase luminosa puede presentarse en dos modalidades: con transporte acíclico de electrones o con transporte cíclico de electrones. En la fotofosforilación acíclica intervienen los dos fotosistemas y en la cíclica solo el PSI.

3.2. MODALIDADES Y FASES DE LA FASE FOTOQUÍMICA DE LA FOTOSÍNTESIS  FLUJO DE ELECTRONES ACÍCLICO (ESQUEMA EN Z) o CONCEPTO: En los organismos fotosintéticos oxigénicos con los dos fotosistemas se produce un trasporte de electrones de forma que o o

estos hacen un recorrido desde el agua hasta el NADP+ pasando por el fotosistema II y posteriormente por el I. FOTOSISTEMAS I Y II: Los fotosistemas I y II están conectados por una cadena de transporte de electrones en la que participan la feofitina, la plastoquinona (PQ), el complejo de los citocromos b y f, y la plastocianina (PC). PROCESO DE LA FASE FOTOQUÍMICA CON FLUJO ACÍCLICO DE ELECTRONES

Un fotón de luz incide en el fotosistema I La energía proporcionada se canaliza hasta el centro de reacción del fotosistema, la clorofila α1 (P700) El P700 se excita y emite un electrón, que es captado por un aceptor de electrones que lo cede a la ferredoxina. Esta molécula lo cede a un sistema enzimático NADP+ reductasa, que cataliza la reacción de reducción del NADP+ a NADPH, obteniéndose así poder reductor (es decir, el electrón se usa al final para reducir el NADP hasta NADPH) El hueco electrónico dejado en el P700 (por el electrón que ha sido emitido) debe ser rellenado. Será rellenado por otros electrones procedentes del PSII Cuando un fotón de luz incide sobre PSII, se provoca la excitación y emisión de electrones de la P680 (tras recibir la energía) Estos electrones son captados por una cadena de transporte de electrones que finalmente los cede al fotosistema I, rellenando el hueco producido del PSI Para reponer los electrones de la P680 se produce la hidrólisis del agua, lo que se denomina fotólisis del agua, que produce desprendimiento de oxígeno (es decir, se repone el hueco electrónico de la P680 gracias al agua, que actúa como dador último de electrones, porque los electrones del PSI van al NADH+H+) H2O --------------> 2H+ + 2e- + ½ O2 Los electrones producidos por la fotólisis del agua se emplean para reducir el NADP y formar NADPH y se transportan por la cadena de electrones para sintetizar ATP

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10. El flujo de electrones que ocurre en la cadena transportadora que conecta los dos fotosistemas provoca la aparición de un gradiente de protones entre el interior tilacoidal y la matriz, que se empleará en la producción de ATP.

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FOTOFOSFORILACIÓN O SÍNTESIS DE ATP o o

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2. 3.

4. 5.

6.

DEFINICIÓN: La fosforilación fotosintética o fotofosforilación es la formación de ATP a partir de ADP y Pi, acoplada al flujo de electrones promovido por la luz (por ello se llama fotofosforilación). En ella participan las ATP sintetasas PROCESO DE LA FOTOFOSFORILACIÓN: El flujo de electrones que ocurre en la cadena transportadora que conecta los dos fotosistemas provoca la aparición de un gradiente de protones entre el interior tilacoidal y la matriz , que se emplea en la producción de ATP.

La energía liberada por los electrones al ser transportados por la cadena transportadora de un fotosistema a otro, se emplea en la membrana de los tilacoides para bombear protones al interior del tilacoide, promovido por el complejo citocromo b6-f Además, se liberan en el mismo espacio protones procedentes de la fotólisis del agua. Como consecuencia, se crea un gradiente de protones entre el interior del tilacoide y el estroma (hay una mayor cantidad de protones en el interior del tilacoide que en el estroma) Para equilibrar el gradiente, los protones vuelven al estroma a través del complejo ATP sintetasa (similar al de la mitocondria) El flujo de protones que atraviesan las ATP sintetasas al salir al estroma libera energía que es aprovechada por la ATP sintetasa para producir la fosforilación del ADP a ATP. El flujo de un par de electrones genera energía suficiente para liberar al estroma entre una y dos moléculas de ATP.

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Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato.  FLUJO ELECTRÓNICO CÍCLICO o FLUJO ELECTRÓNICO CÍCLICO: vía alternativa en el flujo de electrones que no produce NADPH y en la que sólo interviene el PSI.  En este caso, tras incidir la luz, los electrones perdidos por la P700 son cedidos a la ferredoxina y de esta al complejo citocromo b-f (no al NADP)  Este complejo los pasa a la plastocianina y esta de nuevo al hueco electrónico del fotosistema I.  Esta vía se denomina cíclica porque los electrones vuelven al lugar de donde salieron (es decir, salen del PSI y vuelven al PSI) o

BALANCE DEL FLUJO ELECTRÓNICO CÍCLICO: En este proceso: Se produce ATP, ya que los electrones recorren la cadena de transporte situada en la membrana de los tilacoides, lo que se denomina fotofosforilación cíclica.  No se produce NADPH (poder reductor)

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No se desprende oxígeno CAUSAS DEL FLUJO ELECTRÓNICO CÍCLICO:  Este proceso se lleva a cabo cuando escasea el NADP+ y es necesaria energía en forma de ATP.

 o

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También es el característico de bacterias fotosintéticas que no desprenden oxígeno (anoxigénicas) como las verdes del azufre o las rojas.

FASE BIOSINTÉTICA U OSCURA DE LA FOTOSÍNTESIS 4.1. CONCEPTO FASE BIOSINTÉTICA O FASE OSCURA: la fase biosintética de la fotosíntesis está formada por un conjunto de reacciones independientes de la luz que tienen lugar en el estroma, en las que se aprovechan la energía almacenada en forma de ATP y el poder reductor de la fase lumínica para reducir y asimilar el carbono del CO2, con el fin de obtener moléculas orgánicas en un proceso de fijación del carbono. Es decir, para formar materia orgánica a partir de materia inorgánica o Es un proceso puramente bioquímico, ya que no se requiere ni luz ni clorofila o Fuente de carbono: como fuente de carbono se utiliza el CO2 o Fuente de nitrógeno: como fuente de nitrógeno se utilizan los nitratos y nitritos o Fuente de azufre: como fuente de azufre se utilizan los sulfatos

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4.2. FASES DE LA FASE BIOSINTÉTICA DE LA FOTOSÍNTESIS  CICLO DE CALVIN: el ciclo de Calvin es un conjunto de reacciones anabólicas que llevan a materia orgánica a partir de materia inorgánica. El objetivo del ciclo de Calvin es fijar el carbono del CO2 atmosférico en la materia orgánica para sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica ETAPAS DEL CICLO DE CALVIN FIJACIÓN DEL CO2 (el CO2, inorgánico, pasa a ser parte de una molécula orgánica) 1. En el estroma del cloroplasto, el dióxido de carbono (CO2)

o 

2.

atmosférico se une a la pentosa ribulosa 1,5 difosfato gracias a la enzima ribulosa difosfato carboxilasa (Rubisco) Esta unión da lugar a un compuesto inestable de 6 carbonos, que se disocia en dos moléculas de ácido 3- fosfoglicérico.

3.

Son moléculas de 3 átomos de carbono, por lo que las plantas que siguen esta ruta se llaman plantas C3 REDUCCIÓN DEL CO2 FIJADO: Mediante el consumo del ATP y del NADPH obtenidos en la fase luminosa, el ácido 3-fosfoglicérico es reducido a gliceraldehído 3 fosfato

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REGENERACIÓN DE LA RIBULOSA 1,5-DIFOSFATO 1. El gliceraldehído 3 fosfato puede seguir ahora varios caminos, pero la mayoría se queda en el estroma y regenera la ribulosa 1,5 difosfato para cerrar el ciclo de Calvin (algunos de ellos salen del cloroplasto para producir glucosa) 2. La regeneración de la ribulosa 1,5-difosfato es un proceso complejo, en el que se suceden compuestos de 4, 5 y 7 carbonos y en el que se

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3.

4.3. 

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consume ATP El gliceraldehído 3 fosfato puede seguir otras vías: a. Sale al citosol celular y por un proceso inverso al de la glucólisis da lugar a fructosa y glucosa. Juntas forman la sacarosa, azúcar de la savia b. Se queda en el estroma e inicia la síntesis de almidón, aminoácidos y ácidos grasos BALANCE DE LA FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA DEL CARBONO

BALANCE DE LA FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA o La síntesis de glúcidos es muy costosa. o En el ciclo de Calvin se precisan por cada CO2 incorporado, 2 NADPH y 3 ATP; así para una incorporar los 6 carbonos de una glucosa y formar una glucosa, son necesarios 12 NADPH y 18 ATP. REACCIÓN GLOBAL: La reacción global sería: 𝟔 𝑪𝑶𝟐 + 𝟔𝑯𝟐 𝑶 + 𝟏𝟖 𝑨𝑻𝑷 + 𝟏𝟐(𝑵𝑨𝑫𝑷𝑯 + 𝑯+ ) ⟶ 𝑪𝟔 𝑯𝟏𝟐𝑶𝟔 + 𝟔𝑶𝟐 + 𝟏𝟐𝑨𝑫𝑷 + 𝟏𝟐𝑷 + 𝟏𝟐𝑵𝑨𝑫𝑷+ 4

Nuria Ardid Muñoz 2º Bachillerato. 5. FOTORRESPIRACIÓN 5.1. CONCEPTO Y PROCESO 

FOTORRESPIRACIÓN: la Fotorrespiración es un proceso metabólico que tiene lugar cuando el ambiente es cálido y seco y los estomas de las hojas se cierran para evitar la pérdida de agua. Se denomina Fotorrespiración porque es un proceso favorecido por la luz, consume oxígeno y produce CO2

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PROCESO DE LA FOTORRESPIRACIÓN: CAMBIO EN EL AMBIENTE: Cuando el ambiente es cálido y seco, los estomas de las hojas se cierran para evitar la pérdida de agua. AUMENTO DE LA CONCENTRACIÓN DE OXÍGENO: Entonces, el oxígeno producido en la fotosíntesis alcanza grandes concentraciones porque no se puede liberar, ya que los estomas se han cerrado ENZIMA RUBISCO ACTÚA COMO OXIDASA: En estas condiciones, la enzima Rubisco (ribulosa difosfato carboxilasa), en lugar de realizar la carboxilación vista en el ciclo de Calvin, sigue otra ruta y actúa como oxidasa.

2.

3.

La Rubisco oxida la ribulosa 1,5 difosfato (5C) y da dos compuestos: el ácido 3 fosfoglicérico (3C) y un ácido glicocólico (2C). OXIDACIÓN DEL ÁCIDO GLICOCÓLICO: El ácido glicocólico pasa a los Peroxisomas y se oxida allí, donde puede dar lugar a CO2. Como este proceso es favorecido por la luz y consume oxígeno y produce CO 2 se le llama fotorrespiración

a. 4.

6.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSÍNTESIS 

INTENSIDAD LUMINOSA: cada especie está adaptada a vivir dentro de un intervalo de intensidad de luz. Hay especies de penumbra y especies fotófilas. Dentro de cada intervalo, a mayor intensidad luminosa, mayor rendimiento (la Rubisco aumenta se activa con la luz) hasta superar ciertos límites, en los que se produce la fotooxidación irreversible de los pigmentos fotosintéticos y el rendimiento fotosintético disminuye

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CONCENTRACIÓN DE CO2: Si la intensidad luminosa es elevada y constante, el rendimiento del proceso aumenta en relación con la concentración de CO2 en el aire, hasta llegar a un cierto valor, a partir del c...