Rendiments del metabolisme energètic (2008)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Ciencias Ambientales - 1º curso
Asignatura Biologia
Año del apunte 2008
Páginas 8
Fecha de subida 25/05/2014
Descargas 0

Vista previa del texto

Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    Grup H: Sara de la Torre, Marta Turull, Nicolás Uran, Paula Vera, Aida Vila, Quim Vilar i Helena Zorita.
“RENDIMENTS DEL METABOLISME ENERGÈTIC” 1. Rendiment energètic de la degradació de la glucosa fins a CO2 i H2 O   Per poder aconseguir CO2 i H2O es necessita fer la respiració cel·lular. És una ruta metabòlica en la qual les cèl·lules adquireixen energia a partir del catabolisme de les biomolècules.
El catabolisme de la glucosa és el següent: C6H12O6 + 6O2 Æ 6CO2 + 6H2O + ATP Aquesta degradació de la molècula de glucosa es fa en tres parts: - Glucòlisi: És un conjunt de reaccions en que la molècula de glucosa es converteix en dos molècules d’àcid pirúvic.
Objectiu: transformar la glucosa en piruvat, reduir una molècula de 6 carbonis en dues de 3 carbonis.
Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ ---> 2 Piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O - Cicle de Krebs: És un procés de degradació de la molècula de glucosa.
Objectiu: generar H+ units a molècules de NADH o FADH, alliberar el CO2.
1    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    Per cada molècula d'acetil-CoA es poden alliberar fins a 12 ATP: Isocitrat 2-oxoglutarat ............1 NADH 3 ATP (cadena respiratòria) 2-oxoglutarat succinil-CoA .......1 NADH 3 ATP (cadena respiratòria) succinil-CoA succinat ............. 1 GTP 1 ATP (transferència directa) fumarat .......................1 CoQH2 2 ATP (cadena respiratòria) oxaloacetat ......................1 NADH 3 ATP (cadena respiratòria) ------------------ succinat malat 12 ATP - Cadena de transport d’electrons Objectiu: produir ATP a partir de ADP, per l’acció de l’enzim ATP sintetasa.
BALANÇ ENERGÈTIC TOTAL: • 2 ATP a la glucòlisi 30 ATP a partir del poder reductor dels 10 NADH+H (2 a la glucòlisi + 2 en passar de piruvat a acetil + 6 al cicle de Krebs) 4 ATP a partir del poder reductor dels 2 FADH+H obtinguts al cicle de Krebs • Per tant: • • GLUCOSA + 6O2 + 36 Pi + 36 ADP Æ 6CO2 + 36 ATP + 42 H2O 2    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    2. Quants mols de fotons calen per generar un mol de O2? A la primera fase de la fotosíntesi, anomenada fase lluminosa o fase fotoquímica, els fotons arriben al fotosistema II (proteïnes transmembranals que engloben els pigments fotosintètics). Aleshores, es produeix l’excitació del pigment diana, la qual cosa dona lloc a la fotòlisi de l’aigua (hidròlisi de molècules d’aigua).
PS II 2H2O → 4H+ + O2 + 4eEls protons alliberats passen a través de les ATP-sintetases per tal de sintetitzar ATP.
D’altra banda, els e- alliberats són transferits a la molècula diana, la qual s’activa per captar els protons que sintetitzaran l’ATP.
PSI 4e- + 2H+ + 2NADP+ → 2NADPH Quan els fotons incideixen en la clorofil·la, aquesta perd 4e-, els quals es cedeixen a un acceptor que, a la vegada, els cedirà a una altra molècula, on mitjançant una reacció enzimàtica es sintetitzarà NADPH.
2H2O + 2NADP+ → 2NADPH + 2H+ + O2 (2 fotons/e- ) (4 e-/O2) = 8 fotons/O2 (o 4 fotons/NADPH) Considerant que per cada mol d’e- s’obtenen dos de fotons i que, segons la reacció que té lloc al PS II, per cada mol d’ O2 hi ha 4 d’electrons, fent la conversió s’observa que per tal de generar un mol d’O2 calen 8 mols d’e-.
3. Quin és el primer producte de la fotosíntesi? A la fase lluminosa es produeixen l’ATP i el NADPH, compostos necessaris per reduir el CO2 a matèria orgànica en la fase fosca.
Aleshores, mitjançant el Cicle de Calvin es sintetitzen aquests compostos (l’ATP i el NADPH) i el primer producte estable del cicle: dues molècules d’àcid 3-fosfoglicèric.
4. Quina equació ens explica la biosíntesi dels glúcids? La biosíntesi de la glucosa és una reacció endergònica (necessita energia) que es produeix a la fase fosca de la fotosíntesis, per tant la realitzen les plantes.
La biosíntesi de la glucosa és la forma que té el cicle de la vida, mitjançant les plantes, de transformar matèria inorgànica, com és el cas del CO2 i H2O en matèria orgànica, en forma de glucosa.
3    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    Per tal de realitzar la biosíntesi de la glucosa la planta necessita energia en forma d'ATP i poder reductor en forma de NADPH, que provenen de la fase lluminosa de la fotosíntesi, apart de CO2 i H2O, que donen glucosa (matèria orgànica), oxigen que passa a l'atmosfera i aigua, apart de NADP i ADP.
Per tant la reacció global de la biosíntesi de la glucosa és: 6CO2 + 12H2O + 18ATP + 12NADPH C6H12O2 + 6O2 + 6H2O + 12NADP + 18(ADP+P) 5. Quanta energia es pot estimar que cal per sintetitzar un mol de glucosa? La síntesi de glucosa es realitza a la fase fosca de la fotosíntesi, al Cicle de Calvin: El cicle comença amb la incorporació d'una molècula de CO2 que es combina amb la ribulosa 1,5 – difosfat (RUBP un sucre de 5C) mitjançant l'acció de l'enzim ribulosa difosfat carboxilasa oxigenosa o RUBISCO. A partir d'aquí, es forma una molècula molt inestable de 6C, que immediatament es trenca en dues de 3C (3 -fosfoglicèrid).
El cicle de Calvin costa de tres parts: 1. Fixació de carboni mitjançant la carboxilació de la ribulosa 1,5 - difosfat.
2. Reducció del carboni fixat per començar la síntesi d'una triosa.
3. Regeneració de la ribulosa 1,5 - difosfat (compost de partida).
4    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    A cada volta s'incorpora una nova molècula de CO2, i en donar tres voltes, un cop s'han incorporades tres molècules de CO2, surt una triosa (3C), que posteriorment constituiran la glucosa, de 6C.
En aquest procés, necessitarem molècules d'ATP i NADH - H+ fabricades en la fase lluminosa de la fotosíntesi. És un cicle de desgast energètic, ja que es consumeixen molècules d'ATP i NADH - H+.
És per això que si considerem com una volta, cada cop que es forma una triosa, podem dir que són necessàries dues voltes al cicle de Calvin, per sintetitzar un mol de glucosa.
Així doncs direm que: En una volta del cicle de Calvin obtenim mig mol de glucosa: 3 CO2 + 6 NADH + 9 ATP 1/2 C6H12O6 + 6NADP+ +9ADP + 9 Pi Per sintetitzar un mol de glucosa són necessàries dues voltes al cicle de Calvin: 6 CO2 + 12 NADH + 18 ATP C6H12O6 + 12NADP+ +18ADP + 18 Pi És a dir, l'energia necessària per sintetitzar un mol de glucosa és 18 ATP 6. Rendiment de la biosíntesi de la glucosa Per calcular el rendiment de la biosíntesi fotosintètica de la glucosa s’ha de fer un balanç d’energia consumida i energia produïda.
La síntesi de la glucosa consumeix 18 ATP, obtinguts en la fase llumínica de la fotosíntesi, juntament amb el poder reductor dels 12 NADPH. Aquesta energia i aquest poder reductor s’utilitzen a la fase fosca per obtenir glucosa.
Observant la reacció global de la biosíntesi de glucosa, hi ha una despesa d’ATP , en canvi, però, no existeix producció d’ATP, sinó de Glucosa.
Es podria dir que el rendiment dels 18 ATP és per obtenir una molècula de glucosa.
Resulta contradictori parlar de rendiment en la biosíntesi de la glucosa, ja que no es pot mesurar quantitativament el rendiment de la fase la síntesi de la glucosa, on no hi ha producció d’energia, sinó que se’n consumeix.
Per això, per valorar el rendiment no s’ha de mirar només la fase anabòlica de la glucosa sinó que cal mirar el metabolisme globalment. És a dir, que per poder calcular el rendiment, cal fer un balanç energètic entre la biosíntesi de la glucosa i la degradació d’aquesta.
  5    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic      7. Comparació del rendiment de la degradació de la glucosa i del rendiment de la biosíntesi fotosintètica de la glucosa Com hem vist anteriorment, de la degradació de la glucosa, un procés catabòlic:   C6H12O6 + 6 O2 Æ 6 CO2 + 6 H20 + Energia (32 ATP)   obtenim un rendiment energètic de 32 ATP. En canvi, de la biosíntesi fotosintètica de la glucosa, un procés anabòlic: 6 CO2 + 12 H20 + Energia (18 ATP) Æ C6H12O6 + 6 O2 el rendiment d’energia que es consumeix és de 18 ATP. Aquesta energia consumida, cal recordar que s’ha sintetitzat en un procés previ al de la síntesi de la glucosa (fase fosca), a la fase lluminosa.
Si comparem aquests dos rendiments, podem concloure que són inversos. Això vol dir que en la degradació de la glucosa obtenim energia, mentre que en la biosíntesi fotosintètica, per obtenir una glucosa, cal consumir energia.
També podem concloure, que si realitzem el balanç energètic dels dos rendiments: 32 ATP – 18 ATP = 20 ATP Una cèl·lula que realitzi els 2 processos obtindrà una energia lliure de 20 ATP, per a utilitzar en una altra reacció o en qualsevol altre procés on es requereixi una determinada energia.
8. Si comparem el transport electrònic mitocondrial i la fase lluminosa de la fotosíntesi: podem dir que són molt diferents, o estem parlant de dos sistemes molecularment molt similars? Primerament, veurem què és cada sistema per tal de poder veure clarament les diferències i comprendre'n el funcionament.
La fase lluminosa de la fotosíntesi és un procés d'anabolisme autòtrof, això vol dir que és un sistema que transforma molècules inorgàniques en molècules orgàniques, que es dóna a la membrana dels tilacoides.
En aquest cas, la molècula inorgànica és l'aigua, que a través de la fotòlisi, és a dir, trencament a partir de fotons de llum, allibera electrons que atravessaran sistemes com el fotosistema II, el fotosistema I on patiran diverses transformacions gràcies als enzims que contenen i alliberaran NADP a més d'alliberar ATP quan passin a través del complex ATP sintetasa.
6    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    Si l'observem amb més deteniment, comprendrem com funciona.
Primerament hi ha una absorció de llum i posteriorment hi ha una excitació d'electrons.
Aquests dos passos són els que conformen la fotòlisi de l'aigua.
Aquest electrons excitats són els que recorren la cadena.
Els protons despresos per l'aigua són bombejats cap a l'interior.
Després trobem la fosforilació de l'ADP.
Per últim l'ATP és alliberat a l'estroma.
Per tant amb aquest complex obtenim poder reductor, amb el NADP i energia en forma d'ATP.
Fosforilació d'ADP Poder reductor Fotòlisi de l'aigua La cadena de transport d'electrons es dóna a la membra interna del mitocondri i al contrari que la fase lluminosa de la fotosíntesi es tracta d'un procés catabòlic. Això vol dir que degradarà molècules. En aquest cas, és una molècula orgànica qui inicia la cadena de transport d'electrons: es tracta del complex NADH. És aquesta molècula la donadora d'electrons.
Aquests electrons passen per diferents complexos on l'acció dels diferents enzims actuen sobre ells fins a formar aigua i ATP.
És aquí on trobem un altre de les diferències, la fase lluminosa de la fotosíntesi fa una lisi de l'aigua, i en canvi, en la cadena de transport d'electrons trobem que hi ha una formació d'aigua, trobem a l'aigua com a producte d'una sèrie de reaccions que han tingut lloc a la cadena de transport d'electrons.
7    Biologia  Rendiments del metabolisme energètic    Els protons aquest cop han estat bombejats cap a l'espai intermembranal del mitocondri i no cap a l'interior com succeïa amb la fase lluminosa de la fotosíntesi.
Formació d'aigua Fosofrilació d'ADP Donador d'electrons En conclusió, podem dir que són dos sistemes molecularment molt similars, ja que hi ha moltes similituds metodològiques entre els dos sistemes: tots dos tenen complexos que transformant els electrons, tots dos compten amb enzimes per fer-ho...
sempre i quan tinguem en compte que són dos processos totalment contraris, la fase lluminosa de la fotosíntesi es un procés anabòlic que només el poden fer els autòtrofs ja que parteix de matèria inorgànica per a transformar-la en matèria orgànica i la cadena de transport d'electrons mitocondrial és un procés catabòlic que el podem trobar tant en autòtrofs que siguin capaços de dur-lo a terme i en heteròtrofs.
  8    ...