1. Organismos Fotoautótrofos y Heterótrofos

¿Qué significa que un organismo sea fotoautótrofo?

Un organismo fotoautótrofo sintetiza sus moléculas orgánicas utilizando CO₂ como fuente de carbono, la luz como fuente de energía y sustancias inorgánicas (H₂O o H₂S) como fuente de electrones. Ejemplos de estos organismos son las plantas, las algas y algunas bacterias.

Los organismos heterótrofos, ¿qué utilizan como fuente de carbono? ¿Y como fuente de energía?

Los organismos heterótrofos sintetizan sus moléculas orgánicas utilizando compuestos orgánicos como fuente de carbono, como fuente de energía y como fuente de electrones. Ejemplos de estos organismos son los animales, los protozoos, los hongos y la mayoría de las bacterias.

2. Gluconeogénesis vs. Glucogenogénesis

¿Es lo mismo gluconeogénesis que glucogenogénesis?

No es lo mismo. La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa y otros glúcidos a partir de moléculas orgánicas, como la glicerina que proviene de la degradación de los ácidos grasos, de algunos aminoácidos, del lactato y del piruvato. Esta ruta anabólica se localiza principalmente en el citoplasma, aunque se inicia en las mitocondrias. La glucogenogénesis, por otro lado, se produce en el hígado o en el músculo esquelético y sirve para almacenar la glucosa sintetizando glucógeno.

3. Fotosíntesis: Conceptos Básicos

¿En qué consiste la fotosíntesis? ¿Qué organismos realizan este proceso?

La fotosíntesis es un proceso anabólico fotoautótrofo por el cual la mayoría de los organismos autótrofos captan la energía de la luz solar para sintetizar moléculas orgánicas, como los glúcidos, mediante la reducción del dióxido de carbono. Tiene lugar en los cloroplastos de las células fotosintéticas eucariotas de las plantas y de las algas, y en el citoplasma y la membrana celular de las bacterias fotosintéticas.

¿Qué tipos de fotosíntesis hay? ¿En qué se diferencian?

• Fotosíntesis oxigénica: La realizan las plantas, las algas y algunas bacterias fotosintéticas (cianobacterias). Este proceso libera oxígeno, ya que los electrones utilizados para reducir el dióxido de carbono proceden del agua.
• Fotosíntesis anoxigénica: La realizan algunas bacterias fotosintéticas, que emplean como dadores de electrones y de hidrógenos otros compuestos diferentes del agua. Estos compuestos pueden ser inorgánicos, como el sulfuro de hidrógeno, u orgánicos, como el lactato.

¿Cómo captan los pigmentos la energía solar?

La clorofila presenta una cabeza polar, un compuesto cíclico que contiene dobles enlaces. Estos dobles enlaces permiten la deslocalización de los electrones y confieren a la clorofila su capacidad para absorber la luz. La luz es una radiación electromagnética, que se propaga de forma discontinua en forma de fotones (cuantos de energía lumínica). Cuando un compuesto químico absorbe la energía de un fotón, sufre un cambio en su configuración electrónica, de manera que uno de sus electrones salta a un orbital de mayor nivel de energía, más alejado del núcleo. Decimos entonces que el átomo se encuentra en estado excitado. El electrón puede retornar al orbital de menor energía, lo que hace que el átomo excitado vuelva a su estado fundamental, emitiendo la energía absorbida.

4. Fotosistemas y Fotofosforilación

¿Qué son los fotosistemas y la fotofosforilación?

• Fotosistemas: Estructuras en la membrana de los tilacoides que contienen pigmentos fotosintéticos y captan la energía de la luz solar.
• Fotofosforilación: Formación de ATP a partir de ADP + Pi, acoplada al flujo de electrones promovido por la luz.

¿Dónde se localiza la fase luminosa de la fotosíntesis?

La fase luminosa de la fotosíntesis tiene lugar en los tilacoides de los cloroplastos.

¿Qué moléculas se obtienen como resultado de la fase luminosa? ¿Cuál es su destino?

Como resultado de la fase luminosa de la fotosíntesis se obtienen ATP (energía química) y NADPH (poder reductor), cuyo destino es la síntesis de moléculas orgánicas en la fase oscura de la fotosíntesis, mediante la reducción del CO₂ en el ciclo de Calvin.

¿Qué son y qué función cumplen el centro de reacción y el complejo ATP sintasa?

• Centro de reacción: Componente del fotosistema, es una molécula de clorofila capaz de ceder electrones. Su función es ceder electrones a la cadena de transporte electrónico fotosintética, gracias a la energía captada de la luz solar.
• Complejo ATP sintasa: Complejo de proteínas con actividad enzimática, capaz de fosforilar el ADP aprovechando la energía liberada por el flujo de protones, desde el lumen del tilacoide hasta el estroma del cloroplasto, a favor de gradiente de concentración. Su función es la síntesis de ATP.

5. Anabolismo: Tipos y Características

Definición de anabolismo y tipos en función de las fuentes de energía, carbono y electrones

El anabolismo es el conjunto de reacciones metabólicas por las que se sintetizan moléculas más complejas a partir de otras más sencillas.

• Según la fuente de energía:
  • Anabolismo fotolitotrofo: La energía proviene de la luz.
  • Anabolismo quimiolitotrofo: La energía procede de reacciones químicas.
• Según la fuente de carbono:
  • Anabolismo autótrofo: El carbono procede del CO₂.
  • Anabolismo heterótrofo: El carbono procede de moléculas orgánicas.
• Según la fuente de electrones:
  • Anabolismo organótrofo: Los electrones proceden de moléculas orgánicas.
  • Anabolismo litótrofo: Los electrones proceden de sustancias inorgánicas.

6. Componentes de un Fotosistema

Componentes de un fotosistema y sus funciones

Un fotosistema está constituido por dos componentes:

• Complejo antena: Se encarga de captar la energía solar y transferirla, pasando de unos pigmentos a otros, hasta llegar a la clorofila diana en el centro de reacción.
• Centro de reacción: Contiene la molécula de clorofila capaz de ceder electrones cuando es excitada por la luz solar a una molécula aceptora de electrones, y que repondrá gracias a una molécula dadora de electrones.

7. Fases de la Fotosíntesis

Descripción de las fases de la fotosíntesis

• Fase lumínica: Se produce únicamente en presencia de luz. Comprende la captación de la luz y su conversión en energía química. Parte de H₂O, NADP⁺, Pi y ADP para, mediante la luz, obtener: O₂, NADPH, H⁺ y ATP.
• Fase oscura: No requiere luz. La energía química en forma de ATP y el poder reductor NADPH se usan para reducir el CO₂ y sintetizar materia orgánica como producto resultante.

8. Fotofosforilación Cíclica y Acíclica

Diferencias entre fotofosforilación cíclica y acíclica

• Se desprende oxígeno por la fotólisis del agua: Acíclica.
• Participa únicamente el PS I: Cíclica.
• No se produce NADPH: Cíclica.
• Participan los PS I y II: Acíclica.

9. Fase Oscura de la Fotosíntesis (Ciclo de Calvin)

Pasos de la fase oscura de la fotosíntesis

La fase oscura tiene lugar en el estroma de los cloroplastos, se denomina ciclo de Calvin y se produce en tres fases:

• Fijación del CO₂: El CO₂ se fija sobre la ribulosa-1,5-difosfato, un azúcar de cinco átomos de carbono, para formar dos moléculas de 3-fosfoglicerato. Esta reacción está catalizada por la enzima ribulosa-1,5-difosfato-carboxilasa-oxigenasa (rubisco).
• Reducción del 3-fosfoglicerato: El 3-fosfoglicerato se reduce a 3-fosfogliceraldehído (G3P), molécula intermediaria en la síntesis de glucosa, que tiene lugar fuera del ciclo.
• Regeneración de la ribulosa-1,5-difosfato: Se regenera la ribulosa-1,5-difosfato gracias a parte del G3P. Otra parte del G3P generado es el producto neto de la fotosíntesis y se utiliza para sintetizar glucosa.

10. Factores que Afectan el Rendimiento de la Fotosíntesis

Influencia de las concentraciones de O₂ y CO₂ en el rendimiento de la fotosíntesis

• Concentración de O₂: Si es elevada, se produce un descenso en el rendimiento de la fotosíntesis debido a que la enzima rubisco presenta más afinidad por el O₂ que por el CO₂, produciéndose una inhibición competitiva por parte del O₂ sobre la enzima rubisco.
• Concentración de CO₂: Siempre que haya una intensidad de luz adecuada, el rendimiento de la fotosíntesis aumenta a medida que aumenta la concentración de CO₂, hasta alcanzar un valor máximo a partir del cual se estabiliza, debido a la saturación de la enzima rubisco.

11. Fotosíntesis vs. Quimiosíntesis

Semejanzas y diferencias entre fotosíntesis y quimiosíntesis

• Semejanzas: Ambos son procesos anabólicos en los que se sintetiza materia orgánica a partir de materia inorgánica y energía. Ambos constan de dos fases: una primera de obtención de energía y poder reductor, y una segunda en la que, gracias a esa energía y poder reductor, se reduce el CO₂ a materia orgánica.
• Diferencias: La fuente de energía es la luz en la fotosíntesis y la energía química liberada en reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos en la quimiosíntesis. La molécula que actúa como transportador de electrones es NADPH en la fotosíntesis y NADH en la quimiosíntesis.

12. Importancia Ecológica de las Bacterias Quimiosintéticas

Las bacterias quimiosintéticas son organismos productores y forman parte de la base de la cadena trófica de los ecosistemas que habitan. Completan los ciclos biogeoquímicos, ya que algunos compuestos reducidos que utilizan como fuente de energía química, como el NH₃ y el H₂S, proceden de la descomposición de la materia orgánica, y los productos de su oxidación (NO₃^– y SO₄^2-) son sales minerales, que las plantas absorben por sus raíces.

13. Origen y Destino Metabólico del ATP y NADPH en la Fotosíntesis

El NADPH es el aceptor final de los electrones que proceden de la fotólisis del agua y el ATP se genera en la fotofosforilación, a partir del gradiente electroquímico generado por la cadena de transporte electrónico fotosintética. El destino metabólico del NADPH y el ATP es la síntesis de moléculas orgánicas durante la fase oscura de la fotosíntesis.

14. Fotofosforilación Cíclica y No Cíclica: Fotosistemas y Moléculas Generadas

• Fotofosforilación cíclica: Participa solo el fotosistema I (PSI). Se genera ATP, no se generan ni NADPH ni oxígeno.
• Fotofosforilación no cíclica: Participan tanto el fotosistema I (PSI) como el fotosistema II (PSII). Se generan ATP, NADPH (poder reductor) y oxígeno.

15. Balance Global de la Fotosíntesis

La fotosíntesis es una ruta anabólica autótrofa. Su balance global es:

12 H₂O + 6 CO₂ + Luz → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂

16. Ecuaciones Químicas de Rutas Metabólicas

a) Ciclo de Calvin

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

b) Fermentación láctica de una molécula de glucosa

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺ → 2 C₃H₄O₃ + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ → 2 C₃H₆O₃ + 2 ATP + 2 NAD⁺

c) Ciclo de Krebs

2 acetil-CoA + 4 H₂O + 2 FAD + 6 NAD⁺ + 2 ADP → 4 CO₂ + 2 FADH₂ + 6 NADH + 6 H⁺ + 2 ATP + 2 CoA-SH

17. Preguntas y Respuestas sobre la Fotosíntesis

a) ¿Qué proceso biológico se representa en la figura? ¿En qué orgánulo se realiza? ¿Qué tipo de células lo llevan a cabo? ¿Cuál es la función del agua en este proceso y en qué se transforma?

• Proceso: Fotosíntesis.
• Orgánulo: Cloroplasto.
• Tipo de células: Células vegetales.
• Función del agua: Donador de electrones. Se transforma en oxígeno molecular.

b) Describa brevemente qué ocurre en las fases señaladas con los números 1 y 2

• Fase 1 (dependiente de la luz): Captación de luz por fotosistemas y fotólisis, transporte electrónico, síntesis de ATP y síntesis de NADPH.
• Fase 2 (ciclo de Calvin o fase no dependiente de la luz): Fijación del carbono a partir del CO₂ con gasto de ATP y NADPH.

c) ¿La fotosíntesis es un proceso anabólico o catabólico?

La fotosíntesis es un proceso anabólico en el cual el ATP y el NADPH formados en la etapa dependiente de luz son utilizados para transformar el CO₂ en glucosa.

d) Definición de fotosíntesis, dibujo del orgánulo celular, identificación de componentes, localización de las fases y productos finales de la fase luminosa

• Fotosíntesis: Proceso de transformación de CO₂ en carbono orgánico utilizando la energía procedente de la luz.
• Orgánulo: Cloroplasto (dibujo con membrana externa, membrana interna, tilacoide, espacio tilacoidal, estroma, ribosomas, grana).
• Localización: Fase luminosa en la membrana tilacoidal y fase oscura en el estroma.
• Productos finales de la fase luminosa: ATP y NADPH.

e) Explicación de la fase oscura de la fotosíntesis

Utilización del NADPH y ATP provenientes de la etapa dependiente de la luz para la asimilación del CO₂ atmosférico y la producción neta de azúcares sencillos.

f) Definición de fermentación, lugar de la célula, ejemplos y rentabilidad energética

• Fermentación: Degradación anaeróbica de la glucosa en el que el aceptor final de electrones es una molécula orgánica.
• Lugar: Citosol.
• Ejemplos: Fermentación láctica (bacterias, células musculares), alcohólica, acética.
• Rentabilidad energética: La fermentación tiene menor rentabilidad energética que la respiración.

g) ¿De qué proceso se trata? ¿En qué orgánulo tiene lugar? Indique qué representan las letras: A, B, C y D. Nombre el ciclo representado por el círculo.

• Proceso: Fotosíntesis.
• Orgánulo: Cloroplasto.
• A: Energía luminosa; B: Agua; C: Oxígeno; D: Glucosa.
• Ciclo: Ciclo de Calvin.

h) Acontecimientos en el compartimento señalado con la letra E

Captación de luz por fotosistemas, fotólisis del agua, transporte electrónico fotosintético, síntesis de ATP y síntesis de NADPH.

i) Identificación del orgánulo, características, partes numeradas y tipo de células

• Orgánulo: Cloroplasto.
• Características: Presencia de doble membrana, tilacoides, grana.
• Partes: 1: Tilacoide, 2: Estroma, 3: Grana, 4: Membrana externa, 5: Membrana interna.
• Tipo de células: Células vegetales.

j) Función del orgánulo, reacciones en la estructura marcada con el número 1, semejanzas con bacterias y razón de estas semejanzas

• Función: Realizar la fotosíntesis.
• Reacciones en 1 (Tilacoide): Reacciones dependientes de la luz, captación de la luz por fotosistemas y fotólisis del agua, transporte fotosintético de electrones, síntesis de ATP y síntesis de NADPH.
• Semejanzas con bacterias: Tamaño similar, presencia de ribosomas 70S, ADN circular.
• Razón: Teoría endosimbiótica, los cloroplastos proceden de bacterias fotosintéticas que establecieron una relación simbiótica con células eucariotas ancestrales.

18. Fermentación en la Fabricación del Pan

¿Por qué es necesario dejar reposar la masa del pan? ¿Qué tipo de fermentación ocurre?

Durante el reposo se produce la fermentación alcohólica y la liberación de CO₂, lo que hace que la masa suba.

19. Uso de Organismos Fermentadores en Biotecnología

Explicación del uso de organismos fermentadores en biotecnología e industria

Los organismos fermentadores son muy utilizados porque los productos de las fermentaciones acética, alcohólica y láctica son de gran interés en la industria para producir, entre otros, el vinagre, bebidas alcohólicas y los derivados lácteos. Además, son de fácil mantenimiento y reproducción, fáciles de manipular mediante ingeniería genética y tienen pocos requerimientos.

20. Fotofosforilación Cíclica y Acíclica en Microorganismos Fotosintéticos

Explicación de la inactividad del ciclo de Calvin en microorganismos que solo realizan fotofosforilación cíclica

La fotofosforilación cíclica no produce el poder reductor (NADPH) necesario para el ciclo de Calvin. Aunque se crea un gradiente electroquímico de protones y se genera ATP, no se produce fotólisis del agua ni se genera oxígeno. Al no producirse poder reductor, no se puede reducir el CO₂ en el ciclo de Calvin.