Procesos Metabólicos: Fotosíntesis, Respiración Celular y Fermentación

Fases de la Fotosíntesis

La fase luminosa de la fotosíntesis tiene lugar en la membrana de los tilacoides del cloroplasto y depende directamente de la luz. En esta etapa, la energía luminosa es captada por la clorofila de los fotosistemas, lo que provoca la excitación de electrones. En el fotosistema II se produce la fotólisis del agua, que libera oxígeno, protones y electrones. Estos electrones pasan a través de una cadena de transporte, generando un gradiente de protones que permite la síntesis de ATP mediante fotofosforilación. Finalmente, los electrones reducen el NADP⁺ para formar NADPH. Por tanto, el resultado de la fase luminosa es la transformación de la energía de la luz en energía química (ATP y NADPH) y la liberación de O₂ como subproducto.

La fase oscura, también llamada ciclo de Calvin, se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto y no depende directamente de la luz, aunque utiliza el ATP y el NADPH producidos en la fase luminosa. En primer lugar, ocurre la fijación del CO₂, que se une a la RuBP gracias a la enzima Rubisco. Después tiene lugar una fase de reducción, en la que se forma G3P utilizando ATP y NADPH. Por último, parte del G3P se emplea para regenerar la RuBP, permitiendo que el ciclo continúe. Una fracción del G3P se destina a la síntesis de glucosa y otras moléculas orgánicas, por lo que esta fase supone la incorporación del carbono inorgánico a materia orgánica.

Cuestiones sobre Rutas Metabólicas

En relación con el esquema adjunto, conteste a las siguientes cuestiones:

• a) Identifique las rutas metabólicas señaladas con los números I y II: I: Glucólisis. II: Ciclo de Krebs (oxidación del acetil-CoA).
• b) ¿En qué lugar de la célula eucariótica ocurre cada una de ellas?: I ocurre en el citoplasma. II ocurre en la matriz mitocondrial.
• c) A partir de la ruta II, ¿con qué procesos se completa la obtención de energía contenida en la glucosa?: La obtención completa de energía se logra mediante la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.
• d) ¿Qué tipos de organismos llevan a cabo estos procesos de obtención de energía?: La realizan organismos aerobios, como animales, plantas, hongos y muchas bacterias.
• e) ¿En qué condiciones no se llevaría a cabo la ruta II? ¿Qué ruta alternativa podría seguir el ácido pirúvico?: No se realiza en ausencia de O₂. El piruvato seguiría una fermentación (láctica o alcohólica).
• f) Indique el rendimiento energético de la degradación de la glucosa en condiciones aeróbicas y anaeróbicas: Aerobiosis: ≈36-38 ATP por glucosa. Anaerobiosis: 2 ATP por glucosa.

Metabolismo Celular: Respiración y Fermentación

En relación con la figura adjunta, que corresponde a las concentraciones de glucosa, etanol y O₂ registradas en el interior de una célula a lo largo del tiempo, conteste a las siguientes cuestiones:

• a) ¿Cómo se denominan los procesos metabólicos que se están produciendo en los tiempos t1 y t2 y en qué estructuras u orgánulos de la célula se realizan? Indique en qué proceso se produciría más energía y por qué. Justifique si estos procesos son anabólicos o catabólicos: En t1: respiración aerobia (hay O₂) → en mitocondria. En t2: fermentación alcohólica (sin O₂) → en citoplasma. Se produce más energía en t1, porque la glucosa se oxida completamente generando más ATP. Ambos son procesos catabólicos porque degradan glucosa liberando energía.
• b) Durante el proceso desarrollado en t2 se genera, además de etanol, otro compuesto químico ¿cuál es? Ponga un ejemplo de microorganismo que realice el proceso que ocurre en t2 y ponga dos ejemplos donde estos microorganismos se usen en la industria alimentaria. Cite otro tipo de proceso metabólico similar al que ocurre en t2, y un microorganismo que lo realice: Además de etanol se produce CO₂. Microorganismo: levadura (Saccharomyces). Usos: Elaboración de pan y producción de bebidas alcohólicas (vino, cerveza). Proceso similar: fermentación láctica. Microorganismo: Lactobacillus.

Análisis de Rutas Metabólicas

Responda las siguientes cuestiones relacionadas con las rutas metabólicas representadas en la figura:

• a) Identifique los productos indicados con números (1-6): 1: Piruvato. 2: Acetil-CoA. 3: NADH. 4: H₂O. 5: ATP. 6: ADP + Pi.
• b) En el esquema, la glucosa es la molécula que se cataboliza para generar los diferentes productos. Cite otro tipo de sustancias que se pueden catabolizar y generar también el compuesto 2. ¿Cómo se denomina ese proceso?: Otra sustancia: ácidos grasos (también aminoácidos). El compuesto 2 se forma mediante la descarboxilación oxidativa del piruvato.
• c) Defina metabolismo anabólico y catabólico, incluyendo las principales características de ambos: Metabolismo catabólico: conjunto de reacciones degradativas que liberan energía y poder reductor. Metabolismo anabólico: reacciones de síntesis que consumen ATP y poder reductor para formar moléculas complejas.
• d) ¿Cómo se llama el proceso por el que la glucosa se ha transformado en el producto 1?: La transformación de glucosa en el producto 1 se denomina glucólisis.

Efecto del Oxígeno en el Metabolismo de Levaduras

La gráfica representa la variación de la glucosa en un cultivo de levaduras en condiciones anaeróbicas y en el que en un momento dado se añade O₂ al medio (flecha). Responda razonadamente las siguientes cuestiones:

• a) Antes de añadir O₂, ¿qué proceso metabólico es responsable de la disminución de glucosa en el medio? ¿Qué proceso metabólico se inicia cuando se añade O₂ al medio? Indique los compartimentos celulares donde se desarrollan los procesos aludidos, antes y después de añadir O₂. ¿En qué situación se produce más ATP, en presencia o en ausencia de O₂? ¿Por qué razón? Proponga una hipótesis para explicar por qué disminuye la velocidad de consumo de glucosa cuando se añade O₂ al medio: Antes de añadir O₂: fermentación alcohólica (glucólisis + fermentación). Al añadir O₂: respiración aerobia. Compartimentos: Antes: citoplasma. Después: citoplasma y mitocondria. Se produce más ATP en presencia de O₂, porque la glucosa se oxida completamente y funciona la fosforilación oxidativa. La disminución de la velocidad de consumo de glucosa se debe a que la respiración aerobia es más eficiente, por lo que se necesita menos glucosa para obtener la misma energía.
• b) Describa el orgánulo que participa en el consumo de oxígeno en la célula: El orgánulo es la mitocondria, con doble membrana. En la interna se localiza la cadena respiratoria, donde el O₂ actúa como aceptor final de electrones, formándose agua y generándose ATP por fosforilación oxidativa.
• c) Describa el proceso metabólico que utilizan las células para obtener energía en ausencia de O₂: En ausencia de O₂ las células obtienen energía mediante fermentación, proceso en el que la glucólisis produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato y el NADH se reoxida reduciendo un compuesto orgánico (piruvato o acetaldehído).