SEGUNDO TEMA DE BIOSINTESIS

FLUJO DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA EN EL NIVEL PRODUCTOR.

Una de las interacciones más importantes entre los organismos vivos y su ambiente está en la provisión de alimentos. Esto involucra no sólo el suministro de energía para sobrevivir, sino también de materia prima para la producción de los tejidos celulares, la fabricación de gametos garantizando la reproducción y, por lo tanto, la continuidad de las especies. Sobre la Tierra, la fuente principal de energía para la vida es la radiación solar o luz, ésta es reirradiada de nuevo al espacio como calor.

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No todos los seres vivos tienen la capacidad de captar la energía del Sol, y aprovecharla. Solo algunos organismos pueden absorber y utilizar la energía luminosa del Sol en el proceso de la fotosíntesis, en el cual fabrican materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas simples, con liberación de oxígeno.http://www.youtube.com/watch?v=9ZfkD7gwep8

http://www.youtube.com/watch?v=_fXXaf6pEjw.
FLUJO DE MATERIA Y ENERGÍA EN EL NIVEL CONSUMIDOR-

http://www.slideshare.net/Bioestelles/circulacin-de-matera-y-la-energa-en-la-biosfera

Todo organismo debe extraer energía de las moléculas orgánicas de alimento obtenidas de la fotosíntesis o tomar del ambiente. Estas moléculas alimenticias se rompen para liberar energía, proceso conocido como respiración.

Los seres vivos que ocupan los distintos hábitats, han evolucionado y se han adaptado, desarrollando diferentes sistemas de intercambio de gases: cutáneo, traqueal, branquial, pulmonar.

En todas sus variantes, la respiración básicamente es intercambio gaseoso osmótico (o por difusión) con su medio ambiente en el que se capta oxígeno, necesario para la respiración celular, y se desecha dióxido de carbono, como subproducto del metabolismo energético.

Plantas, hongos, microbio y animales, lo mismo que otros organismos de metabolismo equivalente, se relacionan a nivel macro ecológico por la dinámica que existe entre respiración y fotosíntesis. EN la respiración se emplea  oxígeno  para oxidar carbohidratos, y se desecha dióxido de carbono y agua; mientras que en la fotosíntesis se utiliza el Dioxido de carbono y el agua,  y se producen carbohidratos con liberación de oxígeno.

La reacción química  global de la respiración es la siguiente:

C₆ H₁₂ O₆  + 6 O₂  6 CO₂ + 6 H₂ O + energía ATP

Cada célula convierte la energía en los enlaces químicos de los nutrientes, en energía del ATP por el proceso denominado respiración celular.

La respiración celular puede ser aerobia o anaerobia. La respiración aerobia requiere oxígeno molecular (O₂), en tanto que las vías anaerobias, entre las que incluye la respiración anaerobia y la fermentación no necesitan oxígeno. La mayor parte de las células utilizan la respiración aerobia, es la más común y la más eficiente. Las tres vías (Respiración aerobia RCA, respiración anaerobia y fermentación) son exergónicas y liberan energía libre. El metabolismo aeróbico es 19 veces más eficiente que el metabolismo anaeróbico.

Las células eucariotas tienen un organelo especializado para realizar la respiración celular aerobia, la mitocondria. Está constituida por una membrana externa lisa y permeable a iones, metabolitos; una membrana interna que se pliega formando las crestas, en donde se ubican complejos proteínicos donde participan en la respiración celular. La región encerrada por la membrana interna se denomina matriz mitocondrial, que contiene ribosomas y una molécula de ADN.

La respiración celular aerobia es un proceso redox

La mayor parte de las células de los eucariontes y algunos procariontes utilizando una forma de respiración celular que requiere oxígeno, de nodo que realizan la respiración celular aerobia. Durante esta respiración, los nutrimentos se catabolizan a dióxido de carbono y agua. La vía de reacción global para la respiración celular aerobia con glucosa como sustrato resume como sigue

C₆ H₁₂ O₆  +  6 O₂                   6 CO₂  +  6 H₂O  +  Energía (como ATP)

Cuando los científicos hablan de moléculas de alimento o nutrimentos dentro de las células, no se refieren a hamburguesas o frutas. Las moléculas de glucosa y de otros azúcares de seis carbonos, son la fuente principal de energía para la mayoría de los organismos, aunque los ácidos grasos y los aminoácidos también pueden servir como fuente de energía. Las células desdoblan a estas moléculas a través de una serie de reacciones químicas. La energía que esta almacenada dentro de la glucosa se libera poco a poco y se usa para adherir  los grupos fosfatos a las moléculas de ADP para formar moléculas de ATP, la molécula de energía de la célula.

La respiración celular aerobia

Las reacciones químicas de la respiración celular aerobia de la glucosa, en los eucariontes, la glucólisis se realiza en el citosol, y el resto de etapas ocurre en el interior de las mitocondrias. La mayor parte de las bacterias también efectúan estos procesos, pero dado que sus células carecen de mitocondrias, todas las etapas se llevan a efecto en el citosol y en asociación de la membrana celular.

La glucólisis, necesita de glucosa, ATP, Coenzima NAD+, ADP y Pi Significa literalmente “rotura de azúcar”, no necesita de oxígeno, ocurre en condiciones aerobias o anaerobias en el citasol de las células.

Comienza con la degradación de la glucosa (6 carbonos) y en una secuencia de 10 reacciones químicas separadas y catalizadas por enzimas específicas, se convierte en dos moléculas de piruvato (3 carbonos), con ganancia neta de 2 moléculas de ATP y producción de iones de hidrógeno  y electrones que son transportados por la coenzima NAD+ para formar NADH.

En resumen se obtiene: 2 PIRUVATOS  +  2 NADH  + 2 ATP

Formación de la Acetilcoenzima A

Esta etapa necesita de: piruvato, Coenzima A y NAD +

Cada molécula del piruvato entra a una mitocondria, se descarboxila (perdida de un C en forma de CO₂) para convertirse en una molécula de dos carbonos (acetato) que se combina con la coenzima A; más la perdida de hidrógeno  receptado por el NAD+ para formar NADH, El CO₂ es liberado al exterior como producto de desecho.

En resumen se obtiene: 2 acetilCoA + 2 NAD+ + 2 NADH + 2 CO₂

CICLO DE KREBS O DEL ÁCIDO CÍTRICO

Se necesita: acetilCoA, agua, NAD+, FAD+, ADP, Pi

Este proceso se efectúa en la matriz mitocondrial y por la acción  de enzimas específicas.

La energía  del acetilCoA al desprenderse la coenzima  (CoA) impulsa la reacción de unión del acetato (2 carbonos) con él oxolacetato (4 carbonos) para producir la molécula de citrato (6 carbonos). En el ciclo del ácido nítrico, se rompe primero en una molécula de 5 y luego en una de 4 carbonos, liberando CO₂ en cada paso, por lo tanto se liberan dos moléculas  de CO₂ y el equivalente a 8 átomos de hidrógeno, con la formación de tres moléculas de NADH  y una  de FADH₂. Al final se regenera el oxalacetato y puede comenzar de nuevo  -el ciclo. Debido a que se producen dos moléculas de acetilCoA por cada glucosa.

En resumen se obtiene:

2 Acetil CoA                      6 NADH  +  2 FADH₂ + 2 ATP  + 4 CO₂

Cadena respiratoria (transporte de electrones) y quimiosmosis:

Necesita de NADH  +  FADH₂  +  O₂  +  ADP +  Pi

La cadena respiratoria, es un sistema multiproteínico ligado a las crestas mitocondriales que transfieren electrones desde moléculas orgánicas al oxígeno. Los electrones procedentes del hidrógeno (NADH y FADH₂) son transportados a lo largo de la cadena, de un complejo de proteínas transportadoras a otro, con liberación de energía; la misma que es utilizada para que los protones sean translocados a través de la membrana. Esto significa que son pasados desde el interior o matriz hacia el espacio intermembranoso  de la mitocondria. Esto construye un gradiente de protones (H⁺) que regresara por un complejo proteínico enzimático llamado ATP – sintasa, sintetizando ATP en el proceso llamado quimiosmosis:

ADP  +  Pi                            ATP

El oxígeno  es el aceptor final del electrón, combinándose con electrones e iones H+ para producir agua metabólica.

En la respiración aerobia, una molécula de glucosa genera cuando mucho 36 a 38 moléculas de ATP.

La respiración celular aerobia, es un proceso redox en el cual se transfieren electrones de la glucosa (que oxida) al oxígeno (que reduce). Se producen hasta 36 a 38 moléculas de ATP por cada glucosa.

Rendimiento de energía de la oxidación completa de la glucosa por respiración aerobia
§  Ganancia neta de ATP de la glucolisis también de la glucólisis §  Dos moléculas de piruvato que se convierte en dos de AcetilCoA §  Dos moléculas de acetil CoA en el ciclo de Krebs Y cadena de transporte de electrones y quimiosmosis	2 ATP 2 NADH             4 a 6 ATP 2 NADH             6 ATP                             2 ATP 6 NADH              18 ATP 2 FADH2             4 ATP
GANACIA TOTAL DE ATP	36 A 38 ATP

LIBERAR ENERGÍA SIN OXÍGENO

Recuerda que al final de la glucólisis, cada molécula de glucosa se ha desdoblado en dos moléculas de ácido pirúvico pueden cambiarse  en los procesos llamados:

La respiración anaeróbica, lo realizan exclusivamente algunos grupos de bacterias que viven en ambientes privados de oxígeno, como en las aguas estancadas, o en los intestinos de algunos animales. En este proceso no se usa oxígeno, se emplea otra sustancia oxidante distinta, como el sulfato (SO₂)² o nitrato (NO₃)-.

Es necesario diferenciar la respiración anaerobia de la fermentación, aunque estos tipos de metabolismo tiene en común, el no ser dependiente del oxígeno. La respiración anaerobia tiene un potencial de reducción menor que el oxígeno, por lo que se genera menor cantidad de energía en el proceso, obteniéndose CO₂ , una o más sustancias repetidas y ATP.

La fermentación, es un proceso anaeróbico y en el no interviene la mitocondria, ni la cadena respiratoria. Son propias de los microorganismos facultativos, como algunas bacterias y levaduras. También se produce en la mayoría de células de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas que mueren rápidamente al no poder hacer la respiración celular aerobia. Algunas células, como las del tejido muscular de los animales realizan la fermentación láctica, pero sólo por escasos minutos, cuando el aporte del oxígeno a las células musculares es insuficiente para el metabolismo aerobio y la contracción muscular.

Desde el punto de vista energético, las fermentaciones solo producen 2 moléculas de ATP,  mientras que, en la respiración aerobia se producen 38. Esto se debe al que el NADH formado en el proceso de glucolisis, cede sus electrones a compuestos orgánicos con poco poder oxidante.

Algunas células fermentadoras producen ácido láctico

En el proceso de fermentación representado en el esquema, el piruvato se transforma en lactato. Esto lo realizan diversas bacterias que fermentan la leche y se utilizan para obtener derivados lácteos. Por lo tanto, también la pueden llevar a cabo las células musculares, cuando no reciben suficiente oxígeno. Así cuando se realiza un esfuerzo intenso y prolongado, los músculos obtiene un poco de energía extra sin necesidad de oxígeno, recurriendo a la fermentación; pero las consecuencias de este proceso serán, posteriormente dolorosas.

Algunas células fermentadores producen alcohol

En el esquema representado, por el contrario el piruvato se transforma en etanol y se desprende CO₂ . La realizan, sobre todo, levaduras que tienen interés en la industria alimenticia por los productos residuales del metabolismo, como el CO₂ para esponjar la masa en la fabricación del pan, y el etanol para producir diferentes bebidas alcohólicas.

Importancia biológica de la Respiración Celular

La respiración celular, es que permite a los seres vivos unicelulares, coloniales y pluricelulares la obtención de energía útil (ATP) que la utilizan para mantener la homeostasis.

El ATP parece haberse desarrollado como el vínculo principal  entre las reacciones de liberación y utilización de energía. Eso es, porque la cantidad de energía que se libera durante el rompimiento de la molécula, es adecuada para utilizarse en la mayoría de reacciones celulares. L a energía obtenida es utilizada fundamentalmente en:

·         Las reacciones anabólicas de la célula.

·         La duplicación del ADN.

·         La síntesis de polímeros o moléculas complejas.

·         El trabajo mecánico en la contracción muscular.

·         En el transporte activo a través de membranas.

·         El movimiento celular (movimiento de cromosomas, ameboide etc.)

Las células nerviosas son capaces de transmitir impulsos usando ATP para impulsar el transporte activo de algunos iones.

Muchos animales de las profundidades marinas y algunas orugas, producen luz (energía) por medio de un proceso conocido como bioluminiscencia.

Nuestros riñones, al igual que los de otros animales, utilizan energía para mover sus moléculas e iones con el fin de eliminar sustancias de desecho; mientras que, mantiene las que se necesitan dentro del torrente sanguíneo. Los mecanismos homeostáticos de control de temperatura permiten a los animales de sangre caliente, estar activos en diversos climas.

Los organismos anaerobios facultativos, pueden realizar la respiración aerobia si se encuentran en presencia del oxígeno, de lo contrario, la mayoría de las especies pueden fermentar leche, el queso, la cerveza, el vino, el pulque, etc. Por ejemplo la leche que tomamos contienen las bacterias que utilizamos para elaborar el queso y el yogurt; cuando la leche no se refrigera comienza a descomponerla, la levadura del vino se encuentra sobre la cáscara de las uvas y luego en su jugo.

La fermentación cumple con una función ecológica al descomponer los cuerpos de los organismos que mueren. Innumerables especies de bacterias y hongos, se encargan desea tarea. Cuando el lugar donde viven estos microorganismos las condiciones del medio se vuelven difíciles, cubren su cuerpo con una capa protectora y se convierten en esporas.

Fotosíntesis y respiración aerobia: similitudes y diferencias

La fotosíntesis y la respiración aerobia son conjuntos complejos de reacciones que se parecen. En ambas está involucrada la energía, las dos requieren enzimas, ocurren en diferentes organelos y hay movimiento de electrones a través de cadenas de transporte.

En varios sentidos; la fotosíntesis es lo opuesto a la respiración celular aerobia. Los productos finales de la fotosíntesis son el material de inicio de la respiración. En la fotosíntesis, el almidón y los azúcares se forman al final del proceso y se libera oxígeno como  producto de desecho.  En la respiración aerobia, el oxígeno se utiliza para romper los azúcares. El dióxido de carbono y el agua se eliminan como producto de desecho. Entonces, los productos finales de la respiración aerobia, son los materiales con los que se inicia la fotosíntesis. La fotosíntesis en las células eucariotas tiene lugar en el cloroplasto, mientras que, la respiración celular aerobia ocurre en la mitocondria.

Cerca de la mitad de la glucosa formada por la fotosíntesis, se convierte en combustible para la respiración celular de la planta, alga o bacteria (autótrofo). La energía liberada por esta vía bioquímica apoya el  trabajo celular, la glucosa que no es usada inmediatamente para abastecer de energía, se usa para construir polímeros por ejemplo almidón.

Casi todas las especies actuales desdoblan sustancias nutritivas orgánicas para obtener energía. Pero tan sólo cerca de medio millón, son capaces de fabricar alimentos a través de la fotosíntesis. Si hoy en día la fotosíntesis se detuviera, tanto los seres autótrofos, como los heterótrofos se morirían por falta de la energía contenida en los alimentos; es decir la vida en la Tierra depende de la energía solar canalizada a través de la fotosíntesis. Uno de los usos que hacen las células de este flujo de energía, es la reproducción, que permite perpetuar las especies vivas.

El anabolismo se inicia con la síntesis de los primeros compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas, mediante la fotosíntesis; mientras el catabolismo se puede iniciar con la descomposición de diferentes sustancias orgánicas; pero al final, la mayoría de las rutas catabólicas confluyen en la respiración celular.

Flujo de la materia y energía entre los niveles productor y consumidor

Una de las interacciones más importantes entre los organismos vivos y su ambiente, está en la provisión de alimento. Esto implica no solo el suministro de energía para sobrevivir, sino también de materia prima para la continuidad de la vida de las especies.

¿Cómo obtiene alimento los seres vivos?

Todos los organismos necesitan de materia y energía para realizar sus funciones vitales, la energía la obtienen de los nutrientes contenidos en los alimentos. La forma de obtención del alimento determinan su nivel trófico,  que es su lugar en la cadena alimentaria y se clasifica en:

Productores, los seres vivos que fabrican su propia materia orgánica a partir de dióxido de carbono, agua y sales minerales; utilizando la energía del Sol para el proceso fotosintético. Esto se conoce como nutrición autótrofa. Las plantas, algas y algunas bacterias son productores.

Consumidores, los organismos que no pueden producir su propia materia orgánica, Se alimentan de la materia orgánica producida por otros seres, y la transforman en su propia constitutiva de su cuerpo. Esto se conoce como nutrición heterótrofa. Hay tres tipos de consumidores:

·         Primarios, los que se alimentan de los productores (plantas), son herbívoros.

·         Secundarios, son carnívoros y se alimentan de los consumidores primarios. Algunos son carnívoros y se alimentan también de los productores.

·         Terciarios, se alimentan de los consumidores primarios y secundarios. Algunos son omnívoros y se alimentan también de los productores.

Descomponedores, son seres vivos heterótrofo que obtienen su materia y energía mediante la degradación de la materia orgánica de organismos productores o consumidores muertos. Corresponden a gran parte de las bacterias, junto con los organismos del reino fungi.

Los organismos descomponedores son fundamentales para los ecosistemas, porque degradan la materia orgánica de los restos de los seres vivos a sus unidades más simples.

La cadena alimenticia, también conocida como cadena trófica, es el proceso por el cual se transfiere energía alimenticia por medio de los seres vivos, en donde cada una de estos, se alimenta del anterior y, es alimento del siguiente. La cadena alimenticia, es además una corriente de nutrientes y energía establecida entre las distintas especies de un ecosistema, en relación a la nutrición del mismo.

Cada cadena alimenticia tiene su inicio en su organismo autótrofo, capaz de fabricar su propio alimento, usando energía solar o mediante el uso de sustancia y reacciones químicas.

LA TRANSFERENCIA DE LA MATERIA Y LA ENERGÍA EN LOS SERES VIVOS

Todas las transformaciones de energía obedecen a las leyes de la termodinámica. Recuerda la primera ley hace referencia a la conservación de la energía en el universo. La segunda ley establece que, cuando la energía se convierte de un tipo a otro, parte de ella se torna indisponible para realizar trabajo y otra se pierde.

La materia y la energía están en constante movimiento a través de los ecosistemas, pasando desde el medio abiótico hacia los seres vivos, a través de las relaciones de alimentación entre organismos. En cualquier ecosistema, hay dos procesos simultáneos.

1.      Un flujo de energía de una sola dirección.

Del total de la energía lumínica proveniente del Sol, los organismos fotosintéticos solo aprovechan alrededor del 2% de ella para la formación de los productos resultantes de la fotosíntesis.  Entonces los organismos autótrofos (productores), convierten esta energía lumínica en energía química, que es almacenada en la materia orgánica de los productores y posteriormente, fluye a los otros niveles tróficos en lo ecosistema.

Cuando los organismos emplean energía, tanto en sus funciones vitales como en sus otras actividades (desplazamiento), ocurren grandes pérdidas de energía calórica, que es emitida al ambiente. Esto determina que, la cantidad de energía disponible para el organismo heterótrofo del último nivel trófico de la cadena de transferencia, sea menor en relación con la cantidad de energía que disponen los organismos ubicados en los niveles anteriores.

Ninguna transformación energética es 100% eficiente, pues la cantidad de energía disponible para los organismos va disminuyendo a medida que esta se transfiere entre los distintos niveles tróficos.

Representación de la transferencia de energía en el ecosistema.

Cuando se construye una cadena o una trama trófica, se reconoce en ella los niveles de los organismos productores y de los distintos consumidores, además pueden ser representados en las pirámides ecológicas.

La pirámide de energía, representa la energía almacenada en cada nivel trófico en un cierto momento; también muestra el flujo de energía a través de los niveles tróficos. De nivel a nivel, solo una pequeña porción de energía se usa para construir nueva biomasa, el resto se pierde como calor. Debido a esta pérdida de energía en cada nivel trófico, se necesitan muchos productores para sostener unos pocos consumidores en el nivel superior.

2.      Un ciclo cerrado de materia

En todos los ecosistemas existe, un movimiento continuo de los materiales, así u los diferentes elementos químicos pasan del suelo, del agua o del aire a los organismos y, de unos seres vivos a otros, hasta que vuelven, cerrándose el ciclo, al suelo o al agua o al aire.

Los productores toman materia inorgánica y la convierten en  materia orgánica, esta materia orgánica pasa a los consumidores. Cuando productores y consumidores mueren, los descomponedores convierten sus restos en materia inorgánica; esta será utilizada nuevamente por los productores. De esta manera, la materia se mueve a través de los ciclos que pueden llegar a ser bastante intrincados.

Flujo de materia en los seres vivos

Los principales elementos químicos que estructuran los seres vivos son: carbono, oxigeno, nitrógeno e hidrogeno. A ello se suman el fosforo, el hierro, el azufre, el calcio, el potasio, y el cobre entre otros, necesarios en cantidades menores e importantes para la vida.

El sol es el principal “motor” que permite el desplazamiento de la materia en la mayoría de los ecosistemas, ya que gracias a su energía es posible que los elementos químicos pasen desde los componentes abióticos del ambiente hasta los componentes bióticos, y desde estos, nuevamente, a los componentes abióticos.

En general, se distinguen dos maneras a través de las cuales los elementos químicos pueden pasar desde los componentes bióticos a los componentes abióticos.}

·         La primera de ellas es la excreción que realizan los animales proceso que permite la incorporación de los elementos en sustancias inorgánicas.

·         La segunda es la forma de alimentación de los descomponedores, quienes transforman la materia orgánica en inorgánica, para ser reutilizada por los productores.

En el ecosistema, la materia fluye de manera cíclica (en forma lineal lo hace la energía), por distintas rutas que describen el movimiento de la materia a través de los ecosistemas y se conocen como ciclos biogeoquímicos. Los átomos de carbono, nitrógeno y demás eventos que conforman los cuerpos de los organismos, son los mismos átomos que has estado en la Tierra desde que la vida comenzó.

La cantidad de materia orgánica que forma un individuo, se conoce como biomasa, se la representa en una pirámide, donde cada nivel significa la cantidad de biomasa consumida por el nivel superior. Se la mide en gramos o kilogramos de materia orgánica seca por unidad de área o volumen.