METABOLISMO AUOTOTROFO

METABOLISMO AUOTOTROFO

• Comprende la asimilación de CO2 en moléculas orgánicas.

• Autotrofismo (trofein = alimentación), en biología, es el nombre dado a la cualidad de producir sus propios nutrientes, por fijación del dióxido de carbono.

• Es lo contrario de heterotrofia.• Pueden ser:

– Fotótrofos. Fotosíntesis– Quimiótrofos, quimiosíntesis (litoautótrofos)

Fotoautotrofos.

• Capaces de efectuar fotosíntesis.

• La realizan plantas superiores, las algas y las cianobacterias, donde el dador de electrones es el agua y, se desprende oxígeno.

Quimioautotrofos

• Realizan la quimiosíntesis y fijan el CO2 atmosférico.

• La realizan las bacterias purpúreas y verdes del azufre, donde el dador de electrones es el sulfuro de hidrógeno, y se libera azufre.

FOTOAUTOTROFOS

•La fotosíntesis es la conversión de materia inorgánica en materia orgánica gracias a la energía que aporta la luz. •En este proceso la energía lumínica se transforma en energía química como ATP.•Luego, el ATP se usa para sintetizar glucosa. •La realizan las algas, en el agua, y las plantas, en suelo firme. •Cada año los organismos fotosintetizadores fijan en forma de materia orgánica unas 100,000 millones de toneladas de carbono.

Célula vegetal

Los orgánulos citoplasmáticos encargados de la realización de la fotosíntesis son los cloroplastos.

Cloroplasto Es una cámara que contiene un medio interno llamado estroma, que alberga diversos componentes, entre ellos enzimas encargadas de la transformación del CO2 en glucosa y unos sácos aplastados denominados tilacoides o lamelas, cuya membrana contiene pigmentos fotosintéticos.

Células vegetales: vista con cloroplastos

En promedio, una célula foliar tiene entre cincuenta y sesenta cloroplasto.

FASES FASES

DE LA DE LA FOTOSÍNTESIS:FOTOSÍNTESIS:

Fase luminosa.Fase luminosa.

Fase oscuraFase oscura

1. Catabolismo fotoautotrofo

Clorofila

Fase lumínica

12 H2O

ADP NADP

18 ATP+ 12 NADPH2 + 6 O2

Estructura de clorofila

•La molécula de clorofila tiene dos partes: un anillo de porfirina (sustituida con pequeños grupos enlazados, sustituyentes) y una cadena larga llamada fitol.•El anillo de porfirina tiene cuatro anillos pentagonales de pirrol enlazados para formar un anillo. •La hemoglobina también tiene porfirina.•El fitol tiene carácter hidrófobo.•La cadena del fitilo sirve para anclar la molécula de clorofila en la estructura anfipática de los complejos moleculares en que residen las clorofilas.•El grupo hemo contiene un átomo de (Fe); la clorofila un (Mg2+).

Radiación absorbida

La absorción de determinados picos del espectro de radiación es una propiedad de aquellas moléculas orgánicas que contienen dobles enlaces conjugados (alternado con enlaces simples).

Las plantas y algas verdes, así como bacterias verdes y cianobacterias absorben rojo y azul reflejando el verde, de ahí su color

Otros pigmentos involucrados en la fotosíntesis:

Otros pigmentos involucrados en la fotosíntesis:

• La clorofila a , absorbe luz de colores rojo y azul, reflejando principalmente el verde (de la luz visible).

• Pero no es el único pigmento, en la membrana de los tilacoides se encuentran diferentes pigmentos que absorben luz de algunos colores con el fin último de impulsar la fotosíntesis.

• Los que no son clorofila a , se llaman pigmentos accesorios

LUGAR DE LAS REACCIONES: El cloroplasto

•El cloroplasto está rodeado de dos membranas.•La membrana externa es muy permeable gracias a la presencia de porinas, la membrana interna, contiene proteínas de transporte.•La cavidad interna es el estroma, contiene ADN circular, ribosomas (de tipo 70S, como los bacterianos), gránulos de almidón, lípidos y otras sustancias.•También, hay una serie de sáculos delimitados por una membrana llamados tilacoides, que en los cloroplastos de las plantas terrestres se organizan en apilamientos llamados grana (plural de granum, grano).

Estructura de la membrana tilacoide

• Las membranas de los tilacoides contienen los pigmentos fotosintéticos (clorofila, carotenoides, xantófilas) y distintos lípidos; proteínas de la cadena de transporte de electrones fotosintética y enzimas, como la ATP-sintetasa.

• La estructura del cloroplasto es similar a la mitocondria.

Componentes

• Fotosistema II

• Cadena de transporte

• Fotosistema I

• Sintesis de ATP

Excitación del complejo de pigmentos fotosintéticos

Reacciones que capturan energía:

Reacciones que capturan energía:

Reacciones que capturan energía:

Fosforilación

Esquema de la fosforilación fotosintética

Pasos de las reacciones que capturan energía:

• La luz incide sobre pigmentos antena del Fotosistema II, que contiene moléculas de clorofila a y b.

• Los electrones de las moléculas de clorofila a (P 680) son lanzados a un aceptor de electrones primario.

• Cuando se eliminan los electrones, ellos son reemplazados por electrones de las moléculas de agua.

• La escisión de las moléculas de agua es la causa de que se forme O2 libre, que difunde hacia el exterior, y protones (iones H+).

• Luego, los electrones pasan cuesta abajo al Fotosistema I a lo largo de una cadena de transportadores de electrones.

• Este pasaje genera un gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP, proceso denominado Fotofosforilación.

• La luz absorbida en los pigmentos antena del Fotosistema I y transferida a la clorofila (P 700) da como resultado que se lancen electrones hacia otro aceptor primario de electrones.

• Los electrones eliminados del P 700 son reemplazados por electrones del Fotosistema II y son finalmente aceptados por el transportador de electrones NADP+.

• La energía proveniente de esta secuencia está contenida en las moléculas de NADPH y en el ATP formado por la Fotofosforilación.

FASE OSCURA. • Sucede en el Ciclo de Calvin.• También conocido como ciclo de Calvin-Benson o

fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis.

• Consiste en una serie de procesos bioquímicos que se realizan en el estroma de los cloroplastos.

• En el ciclo de Calvin se integran moléculas de dióxido de carbono para sintetizar glucosa a partir de la cual se formará el resto de los compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos.

• Ocurre en el estroma, donde el NADPH y el ATP producidos en la primera etapa, se usan para reducir el carbono del CO2 a un compuesto de tres carbonos, el gliceraldehído fosfato (azúcar simple).

Síntesis y uso del ATP

Reacciones de fijación de carbono:

Pasos de las reacciones de fijación de carbono:

• Esta vía se denomina vía de los tres carbonos o C3.• La fijación del carbono se lleva a cabo por el ciclo de

Calvin, en el que la enzima RuBP carboxilasa combina una molécula de CO2 con el material de partida, un azúcar de cinco carbonos, llamado ribulosa difosfato.

• La primera enzima se denomina RuBisCO (Ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa).

• En cada vuelta completa del ciclo, ingresa en él una molécula de CO2. Así se completan seis ciclos, el número requerido para elaborar dos moléculas de tres carbonos, que equivalen a un azúcar de seis carbonos.

• Para un total de 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometría final del ciclo de Calvin se puede resumir en la ecuación:

6RuBP + 6CO2 + 12NADPH + 18 ATP + 12H+ + 6H2O → 6RuBP + C6H12O6 + 12NADP+ + 18ADP + 18 Pi

• que representaría la formación de una molécula de azúcar-fosfato de 6 átomos de carbono (hexosa) a partir de 6 moléculas de CO2.

Pasos de las reacciones de fijación de carbono:

Los cloroplastos desarrollan en presencia de luz

•Las semillas suelen germinar en el suelo sin luz, y los cloroplastos se desarrollan cuando el vástago queda expuesto a la luz. •Si la semilla germina en ausencia de luz, los proplastos se diferencian en etioplastos. En vez de clorofila, estos etioplastos tienen un pigmento de color verde-amarillento que constituye el precursor de la misma: protoclorofila.•Después de estar expuestos a la luz, los etioplastos se diferencian transformándose la protoclorofila, en clorofila. •Si los cloroplastos pasan a estar en penumbra continuada los cloroplastos vuelven a convertirse en etioplastos.•Además, los cloroplastos pueden convertirse en cromoplastos, como sucede en las hojas durante el otoño o en el proceso de maduración de los frutos. •Asimismo, los amiloplastos (contenedores de almidón) pueden transformarse en cloroplastos, hecho que explica el fenómeno por el cual las raíces adquieren tonos verdosos al estar en contacto con la luz solar

FOTOSÍNTESIS ANOXIGÉNICA

• Organismos quimioautótrofos.

• Utilizan el CO2 como fuente principal de carbono, pero no utilizan la luz como fuente de energía sino que la obtienen por oxidación de compuestos inorgánicos reducidos, tales como NH3, NO2

-, H2, formas reducidas del azufre (H2S, S , S2O3

-) o Fe2+.

• Es una facultad exclusiva de bacterias conocida con el nombre de quimiosíntesis.

• Como resultado de su capacidad distintiva de crecer en medios estrictamente minerales, en ausencia de luz, estos organismos son denominados con frecuencia quimiolitótrofos (de lithos, roca).

Metabolismo • Poseen un solo fotosistema sólo existe FSI• La realizan las bacterias purpúreas y verdes del azufre.• No hay producción de oxígeno. • El dador de electrones es el sulfuro de hidrógeno, y se

libera azufre.• Los colorantes son Bacterioclorofilas, carotenos.

Bacterias purpura y verde del azufre

BacterioclorofilaLas bacterioclorofilas son unos pigmentos fotosintéticos que se encuentran en varias bacterias fototrofas. Están relacionadas con las clorofilas, que son los pigmentos primarios en plantas, algas, y cyanobacterias. Los grupos que contienen bacterioclorofila usan longitudes de onda de luz que no son absorbidas por las plantas.

Los diferentes grupos contienen diferentes tipos de bacterioclorofila:

Bacterioclorofila a, Bacteria púrpura, Chloracidobacterium thermophilum Bacterioclorofila b, Bacteria púrpura. Bacterioclorofila c, Bacteria verde del azufre, Chloroflexi, Chloracidobacterium thermophilum. Bacterioclorofila d, Bacteria verde del azufre. Bacterioclorofila e, Bacteria verde del azufre. Bacterioclorofila g, Heliobacteria.

Bacterias quimioautótrofas

Las bacterias púrpuras del azufre o bacterias rojas del azufre.

• Son organismos anaerobios o microaerófilos, se encuentran principalmente en manantiales sulfurosos o pantanos.

• A diferencia de las plantas y algas, ellas no usan agua como agente reductor, así que no producen oxígeno.

• En lugar de H2O usan H2S ( sulfuro de hidrógeno), que al oxidarse produce gránulos de sulfuro, y se puede volver a oxidar produciendo ácido sulfúrico.

• Su fotosíntesis anoxigénica (y cíclica) utiliza bacterioclorofila, bacteriofeofitina (sin Mg+2), coenzima Q (el NADH+H entra en un flujo inverso de electrones), citocromo bc1, citocromo c2 hasta P870, que se excita con fotones infrarrojos y rojos.

NO FOTOSINTÉTICOS• Obtienen energía para

sintetizar compuestos orgánicos del desdoblamiento de otros compuestos orgánicos preexistentes.

• No hay ganancia en la cantidad total de compuestos orgánicos.

• Transforman biomasa.

La conversión de CO2 en compuestos orgánicos requiere energía.

FOTOSINTÉTICOS • Forman compuestos

orgánicos durante la fotosíntesis

• Utilizan energía procedente de la luz

• Aumentan la cantidad total de compuestos orgánicos. Sintetizan biomasa.

Bacterias incoloras del azufre

•Las bacterias incoloras del azufre oxidan azufre o compuestos reducidos de azufre.

•Son aerobias obligadas ya que necesitan oxígeno para la oxidación.• Son las responsables de la transformación del sulfuro de hidrógeno (H2S), procedente de la descomposición de la materia orgánica, en sulfato (SO4

-2) asimilable por las plantas, con lo que cierran el ciclo del azufre.

•Las reacciones son las siguientes:

H2S + ½O2 → S + H2O + 50 kcal/mol 2 S + 3O2 + 2H2O → 2SO4

-2 + 4H+ + 119 kcal/mol

• Hábitats : sedimentos profundos o alrededor de relieves submarinos o dorsales oceánicas donde la corteza terrestre es delgada y existen respiraderos hidrotermales o incluso salida de magma.

• Transforman los productos químicos de los respiraderos, tóxicos para muchos seres vivos, en alimento y energía.

• A partir de estas bacterias pueden surgir pequeñas cadenas tróficas basadas en la quimiosíntesis, en vez de en la fotosíntesis.

Bacterias incoloras del azufre

•La producción de sulfato origina condiciones extremadamente ácidas, con un pH inferior a 2; Acidithiobacillus thiooxidans es excepcionalmente resistente a estas condiciones y se encuentra en la naturaleza en ambientes muy ácidos. •La capacidad de las bacterias oxidadoras de azufre para producir ácido sulfúrico se utiliza a veces en agricultura para corregir suelos alcalinos; con el arado se introduce en el suelo azufre en polvo que las sulfobacterias presentes de manera natural en el suelo oxidan, disminuyendo el pH del suelo hasta valores más adecuados para el cultivo.

Comparación de fosforilación

fotosíntesis de la planta

fotosíntesis bacteriana

organismo cyanobacteria purple and green bacteria

Tipo de clorofila chlorophyll a absorbs 650-750nm

bacteriochlorophyll absorbs 800-1000nm

Photosystem I (fotofosforilación cíclica) presente (no cíclico) Presente

Fotosistema I I(noncyclic photophosphorylation)

Presente ausente

produce O2 si no

Donante de electrón fotosintético

H2O

H2S, other sulfur compounds or ciertos compuestos orgánicos

Diferencias entre la fotosíntesis bacteriana y la de las plantas