BIOENERGÉTICA CUESTIONARIO 1) a) El esquema representa una mitocondria con diferentes detalles de su estructura. Identifique las estructuras numeradas del 1 al 8. b) Indique dos procesos de las células eucariotas que tengan lugar exclusivamente en las mitocondrias y, para cada uno de ellos, establezca una relación con una de las estructuras indicadas en el esquema. c) Las mitocondrias contienen ADN. Indique dos tipos de productos codificados por dicho ADN. 2) El monóxido de carbono (uno de los gases expulsado en el humo de los coches) es un poderoso inhibidor de la citocromo-oxidasa, que, como sabes, es uno de los complejos enzimáticos de la cadena respiratoria mitocondrial. a) Qué función tiene la cadena de transporte electrónico en la mitocondria? En qué lugar de la mitocondria se localiza físicamente? b) Qué efectos puede tener la intoxicación con monóxido de carbono sobre el consumo de O 2 en la mitocondria? Y sobre la producción de ATP? Razona tu respuesta. 3) Contesta de forma escueta a las siguientes cuestiones: De qué está compuesta la cadena respiratoria? Cuál es la función de la cadena respiratoria? Qué efectos tendría para la célula el bloqueo de la cadena respiratoria en el caso de que esta se encontrare en un medio anaerobio? Razona las respuestas. 4) Resume por medio de un esquema los acontecimientos que tienen lugar en la fase luminosa de la fotosíntesis. Cita los compuestos sintetizados en esta fase que van a ser utilizados en la fase oscura. 5) En que consiste la fotólisis del agua? 6) y diferencias entre los procesos de la fotosíntesis y la respiración
RESPUESTAS 1) a) Las estructuras numeradas en el esquema son: - 1: Matriz mitocondrial - 2: Crestas mitocondriales - 3: Ribosomas (mitorribosomas) - 4: Membrana mitocondrial interna. - 5: Membrana mitocondrial externa. - 6: Espacio intermembrana. - 7: Complejo ATP- sintetasa - 8: Proteínas (citocromos de la cadena de transporte de los electrones). b) Los principales procesos que tienen lugar en las distintas partes de la mitocondria son los siguientes: - Matriz mitocondrial: Formación del acetil-coa por descarboxilación oxidativa del piruvato y por β- oxidación de los ácidos grasos. Ciclo de Krebs Ciclo de la urea. - Ribosomas mitocondriales: Síntesis de proteínas mitocondriales. - Espacio intermembrana: Acumulación de protones de bombeo desde la matriz - Complejo ATP- Sintasa: Formación de ATP (fosforilaciones oxidativas). - Proteínas de la cadena de transporte de electrones Transporte de electrones desde coenzimas reducidas (NADH + H + y FADH 2 ) hasta el oxígeno y bombeo de protones al espacio intermembrana. c) Los productos codificados por el ADN son, fundamentalmente, proteínas. No obstante, para la síntesis proteica se precisan distintos ARNs: mensajero, ribosómico y transferente. La síntesis de todos ellos se realiza mediante la transcripción del ADN; estos ARNs también están codificados en el ADN. 2) a) La cadena respiratoria constituye la última fase de las oxidaciones que tienen lugar en la mitocondria, concretamente en la membrana interna mitocondrial. En dicha membrana se localizan una serie de complejos enzimáticos encadenados que transportan electrones, es decir, que aceptan y ceden electrones. Uno de estos transportadores es el complejo enzimático citocromo oxidasa.
La función de la cadena es transportar electrones hasta el aceptor final, que es el O 2 (que se reduce a H 2 O), y su objetivo es doble: 1º. Por un lado, oxidar las coenzimas, FADH 2 y NADH+H +, que se han reducido en las rutas catabólicas (glicólisis, descarboxilación del ácido pirúvico, β - oxidación, ciclo de Krebs, etc.) para que, de esta manera, dichas rutas puedan seguir funcionando. 2º. La energía liberada en el transporte de electrones es utilizada para convertir el ADP+Pi en ATP, en un proceso denominado fosforilación oxidativa (*), Este ATP será utilizado para realizar todos los procesos celulares que requieran energía. b) Como se indica en el enunciado de la pregunta, la intoxicación con monóxido de carbono produce la inhibición de la citocromo- oxidasa y, por tanto, la paralización de la cadena del transporte de electrones. Las consecuencias de este hecho son las siguientes: 1º. La producción de ATP asociada a la cadena cesa. No obstante, existen otras fuentes de ATP como son las fosforilaciones al nivel del sustrato (como las que tienen lugar en la glicólisis), que, como es el caso de las células musculares mediante la fermentación, podrían aportar ATP a la célula, aunque en cantidad mucho menor. 2º El consumo de O 2 cesaría también, ya que al cesar el transporte de electrones, la función del papel del O 2 como aceptor final desaparece. Las coenzimas, FADH 2 y NADH + H +, que se han reducido en las rutas catabólicas no pueden oxidarse de nuevo y, en consecuencia, dichas rutas tampoco podrían seguir funcionando. En resumen, sin ATP suficiente y sin FAD y NAD + para poder realizar reacciones oxidativas, la célula no podría desarrollar sus funciones, y moriría. Cuando esta muerte celular es elevada y afecta a órganos importantes como el cerebro, se produciría la muerte del organismo. (*) Según la hipótesis quimiosmótica, al paso de electrones por los complejos transportadores se libera suficiente energía para bombear protones (H + ) desde la matriz mitocondrial al espacio
intermembrana, donde se acumulan. De este modo se produce en gradiente electroquímico que hace que los protones tiendan a volver de nuevo a la matriz a favor del gradiente. Sin embargo, dada la impermeabilidad de la membrana interna, los H + sólo pueden atravesarla a través de los complejos enzimáticos que forman las ATP sintetasas insertos en ella. Estos complejos utilizan la energía liberada en el paso de H + para, a partir de ADP + Pi, obtener ATP. 3) En un medio anaerobio (con ausencia de O 2 ) se paralizaría la cadena de transporte de electrones, ya que no habría un aceptor final. Las consecuencias de este hecho son las siguientes: 1º La producción de ATP asociada a la cadena cesa. No obstante existen otras fuentes de ATP, como son las fosforilaciones a nivel de sustrato (como las que tienen lugar en la glicólisis), que, como es el caso de las células musculares, mediante la fermentación, que podrían aportar ATP a la célula, aunque en cantidad mucho menor. 2º Las coenzimas, FADH2 y el NADH + H+, que se han reducido en las rutas catabólicas, no pueden oxidarse de nuevo, y en consecuencia, dichas rutas tampoco podrían seguir funcionando. En resumen, sin ATP suficiente y sin FAD y NAD + para poder realizar reacciones oxidativas, la célula no podría desarrollar sus funciones, y moriría. Cuando esta muerte celular es elevada y afecta a órganos importantes como el cerebro, se produciría la muerte del organismo. 4) La fase luminosa tiene lugar en las membranas tilacoidales, en las que se encuentran los pigmentos fotosintéticos. Un esquema del proceso puede ser el siguiente: - Captura de la luz. La luz excita los electrones de la clorofila y estos son cedidos a un aceptor de electrones. Al conjunto formado por la clorofila y el aceptar de electrones se lo denomina fotosistema. - Cadena de transporte de electrones. Los electrones arrancados a la clorofila son cedidos a la cadena de transporte de electrones de la membrana tilacoidal y transportados hasta una coenzima, el NADP, que se reduce a NADPH. En la cadena de transporte de electrones funcionan intercalados dos fotosistemas: uno (el PSII) cuya clorofila "a" capta luz de 680 nm y otro (PS I) cuya clorofila diana capta luz de 700 nm.
- Fosforilaciones fotosintéticas. Durante su transporte, los electrones van liberando energía, que servirá para bombear protones desde el estroma hacia el espacio intratilacoidal, generando un gradiente quimiosmótico. Debido a la impermeabilidad de la membrana tilacoidal, los protones sólo pueden regresar, a favor de un gradiente, a través del complejo enzimático que constituye la ATP- sintetasa. La energía liberada por los protones se utiliza para fosforilar ADP y transformarlo en ATP. - Fotólisis del agua. La pérdida de electrones por el PS II genera en este un potencial redox capaz de robar electrones a un compuesto tan oxidado como es el agua. El agua cede electrones, y para ello se disocia, liberando H + y oxígeno molecular. Este oxígeno es un subproducto del proceso fotosintético y como tal es expulsado al exterior: H2O 1/2 O 2 + 2H + + 2e - (cedidos al PS II ). Los compuestos sintetizados en la fase luminosa que serán utilizados en la fase oscura son el ATP (compuesto energético) y el NADPH + H + (poder reductor). 5) La fotólisis del agua consiste en la rotura de la molécula de agua por el fotosistema II (P680) de la membrana tilacoidal del cloroplaso. La pérdida de electrones exitados por la luz y cedidos a la cadena de transporte de electrones genera, en el fotosistema II, un potencial de reducción tan elevado, que es capaz de arrancar los electrones al oxígeno del agua. Consecuencia de esta pérdida de electrones, la molécula de agua se rompe; los dos protones (H+) se ceden al medio acuoso y el átomo de oxígeno se une a otro átomo de oxígeno para formar una molécula de oxígeno bimolecular (O 2 ). 6) Fotosíntesis y respiración son dos procesos celulares cuyo desarrollo y objetivos son totalmente diferentes, aunque guardan una estrecha relación: son procesos inversos y, en cierto modo, complementarios. En el cuadro siguientes se resumen las semejanzas y diferencias entre ambos procesos:
Fotosíntesis Respiración Tipo de células que realizan dichos procesos Orgánulo central Objetivo Productos iniciales y finales Proceso Cloroplastos Mitocondrias Ambos orgánulos poseen doble membrana, espacio interior (matriz/ estroma), ribosomas 70S, ADN circular y doble. Asimismo, ambos orgánulos poseen una cadena de transportadores de electrones en las membranas interiores. El cloroplasto posee un La membrana interna presenta tercer tipo de membranas en repliegues hacia el interior su interior (las membranas denominadas crestas mitocondriales. tilacoidales) que delimitan un espacio llamado espacio intratilacoidal. Ambos son procesos energéticos que tienen por objeto intercambiar energía para realizar las actividades vitales. Producir materia orgánica a partir de materia inorgánica y transformar energía luminosa en energía química almacenándola en dicha materia orgánica. Oxidar la materia orgánica para liberar la energía que contiene. Los productos iniciales de la fotosíntesis son los productos finales de la respiración, y viceversa. Materia orgánica: agua, CO 2 y sales minerales Materia orgánica: azúcares, ácidos grasos, aminoácidos y O 2. Productos iniciales Materia orgánica: azúcares, ácidos grasos, aminoácidos y O 2. Productos finales Materia inorgánica: agua y CO 2 En ambos procesos se produce un transporte de electrones y fosforilaciones (formación de ATP). Tiene lugar en dos fases: luminosa ( captura de la luz, transporte de electrones, fosforilaciones fotosintéticas, fotólisis de agua) y oscura (fijación del CO 2 y ciclo de Calvin) Tiene lugar en diversas fases: obtención del acetil CoA (por descarboxilación del ácido pirúvico o