Biología I
BLOQUE IV DESCRIBE EL METABOLISMO DE LOS SERES VIVOS. 
 
RESULTADO DE APRENDIZAJE: El estudiante es competente cuando describe los procesos energéticos que mantienen la vida, y que conforman el metabolismo celular, así como las formas de nutrición que realizan los seres vivos para obtener su energía.
 
1.- Identifica las formas de energía que se manifiestan en los seres vivos e Identifica procesos de transformación de energía y las reacciones exotérmicas y endotérmicas que ocurren en los organismos. 
 
El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en una célula. El metabolismo se divide anabolismo y catabolismo, según el tipo de reacciones que se llevan a cabo:
 
Anabolismo.- es el conjunto de reacciones de síntesis que se realizan en el organismo, para que se realicen se necesita energía, son reacciones endotérmicas, ejemplos de este tipo de reacciones son la síntesis de proteínas y de polisacáridos.
 
Catabolismo.- es el conjunto de reacciones metabólicas que consisten en la degradación de moléculas, son reacciones exotérmicas en las que se libera energía. Ejemplos de reacciones de este tipo son la degradación de glucosa, grasas o lípidos y de proteínas.
 
Crecer, moverse, reproducirse son actividades indispensables para mantenerse vivos y tienen un alto costo energético, el estudio de los procesos  energéticos se conoce como termodinámica. La energía se puede definir como la capacidad para realizar un trabajo.  Una de las principales características de la energía es que es posible encontrarla de diversas formas en la naturaleza y transformarla de una a otra. La energía potencial es la que se encuentra de alguna manera almacenada, por ejemplo en una araña que esta en lo alto de un árbol, y se puede transformar en energía cinética, o de movimiento, cuando la araña se deja caer sobre su presa. En los seres vivos las actividades son muy variadas y la energía que se encuentra almacenada en los enlaces químicos de los azúcares y otros nutrientes es utilizada para actividades específicas que pueden variar de un organismo a otro.
 
El sol es nuestra fuente primaria de energía y menos del 1% se convierte por medio  de la fotosíntesis de las plantas, en la energía propulsora de todos los procesos de la vida; por lo cual la vida en la tierra no sería posible sin la energía que recibimos del sol. Todos los animales dependemos de las plantas para sobrevivir, y son la base de la pirámide alimenticia, la energía química que obtenemos de ellas nos da la energía necesaria para movernos, crecer y reproducirnos. Para liberar esa energía lo que necesitamos es respirar. Los procesos de respiración celular son necesarios para mantener la vida. Todos los procesos en los que se transforma un tipo de energía en otro generan calor, el calor es un producto secundario de cualquier actividad en la que se gaste energía. Por eso los seres vivos despiden calor.
 
            Una reacción de manera natural tiende a ir de un estado de mayor energía potencial a uno de menor energía potencial, (como las piedras que ruedan hacia abajo de una montaña).las reacciones que pueden ocurrir de manera espontánea son aquellas en las que se libera energía exotérmicas (cuando se que madera). Para que la madera comience a quemarse necesita recibir calor. A esta energía necesaria para iniciar una reacción química se le conoce como energía de activación. Una vez que se inicia la reacción exotérmica, se libera una cantidad mayor de energía que la que se necesitó para iniciar el proceso. La respiración celular es también un proceso que incluye reacciones exotérmicas. Los azúcares que comemos reaccionan y se descomponen en moléculas más pequeñas, lo que provoca la liberación de energía química aprovechada para realizar un trabajo.
            La reacciones endotérmicas requieren de energía para poder llevarse a cabo (o sea van cuesta arriba) un ejemplo es la elaboración de azúcares en las plantas. Ejemplos de reacciones de este tipo son la síntesis de proteínas, la producción de azúcares, la construcción de nuevas células. Para que una reacción endotérmica se lleve a cabo es necesario que se acople a una reacción exotérmica. Para que una planta fabrique azúcares (proceso endotérmico) es necesario que reciba energía del sol (proceso exotérmico).
 
2.-Reconoce la función del ATP en los seres vivos 
 
En las células y los tejidos, las reacciones acopladas funcionan por medio de moléculas portadoras de energía. Estas funcionan como baterías recargables, obtienen una carga de energía en una reacción exotérmica y la liberan en otra parte para impulsar una reacción endotérmica. El principal acarreador de energía de las células es el ATP  (adenosín trifosfato), el cual es un nucleótido formado por la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y tres grupos fosfato. Al ATP se le conoce como la moneda energética de la célula. 
ATP  adenosín trifosfato

Cuando el ATP se acopla a alguna reacción endotérmica, libera un grupo fosfato, con lo que se desprende la energía necesaria para impulsar la reacción. El ATP se convierte en ADP (adenosín bifosfato). Para que el ATP vuelva a ser utilizado en otra reacción acoplada, es necesario que el grupo fosfato se vuelva a unir, esto se lleva a cabo por medio de la respiración celular. La degradación exotérmica de la glucosa en las células durante la respiración celular se acopla con la formación de ATP.

El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en una célula. Los organismos captan energía del medio ambiente y la transforman, lo que les permite desarrollar todas sus actividades. Para realizar sus funciones vitales, los seres vivos transforman las sustancias que entran a su organismo, Esta serie de procesos químicos se conoce como metabolismo, se divide en anabolismo (síntesis o construcción de materiales) y catabolismo (degradación de materia, transformación de moléculas complejas en sencillas).
 
 
3.- Reconoce la función de las enzimas en los procesos biológicos. 
 
Las reacciones exotérmicas liberan energía, una manera de propiciar el inicio de una reacción química es calentando los reactivos. De esta manera se proporciona energía para desencadenar la reacción. Así sucede cuando se calienta la gasolina mediante la chispa  que se produce al arrancarlo.
Los seres vivos tenemos enzimas que actúan como catalizadores, son sustancias que aceleran las reacciones y reducen la energía de activación. Actúan a la temperatura del cuerpo y no se consumen ni sufren un cambio permanente por participar en las reacciones que promueven.   
Las enzimas son catalizadores biológicos de naturaleza proteica que se sintetizan en los seres vivos. Nosotros producimos cientos de enzimas diferentes, cada una acoplada a catalizar determinada reacción química. Cada enzima tiene una forma tridimensional específica, con un espacio llamado sitio activo, que embona perfectamente con las moléculas de la reacción en la que participa. La sustancia en la cual actúa una enzima se conoce como sustrato.  Las enzimas actúan de la siguiente manera:
-       El sustrato se une a la enzima, embonando como llave con su cerradura.
-       Los sustratos y el sitio activo pueden cambiar de forma por la interacción que se da  entre ambos. Se promueve la reacción entre los sustratos.
-       Los sustratos al reaccionar cambian de forma y se despegan de la enzima.
-       La enzima queda libre y lista para volverse a unir a otro sustrato.
       

            La reacción que promueve una enzima puede ser de descomposición o síntesis, es decir, puede unir a dos sustratos o provocar que se separe un sustrato en dos productos. Si se acumula el producto de alguna reacción enzimática, puede ser que el mismo producto inhiba la producción de más enzimas, Para su función óptima, las enzimas dependen de las condiciones del medio como pH, la concentración de sal y temperatura, ya que estos pueden llegar a alterar su estructura tridimensional. Una temperatura elevada puede alterar de manera irreversible el funcionamiento de las enzimas.  A estro se debe que si una persona tiene fiebre muy alta se detengan algunas reacciones metabólicas y pueda llegarse incluso a la muerte de las células más sensibles: las neuronas.
 
4.- Reconoce los procesos anabólicos relacionados con la nutrición Autótrofa: Quimiosíntesis y fotosíntesis. Caracteriza las formas de nutrición de los seres vivos Autótrofos:  Quimiosintéticos y  Fotosintéticos. 
 
Los organismos autótrofos elaboran sus propios alimentos a partir de materia inorgánica. Estos organismos sólo necesitan de agua, sales minerales, dióxido de carbono y de alguna fuente de energía para sobrevivir, así que no necesitan de otros seres para alimentarse.
 
Los autótrofos pueden utilizar como fuente de energía el Sol, o bien compuestos químicos donadores de electrones que les permitan, por ciertas reacciones químicas obtener su alimentos.
 
Quimiosintésis.- algunos organismos utilizan como fuente de energía ciertas sustancias químicas a las que oxidan; por ejemplo las bacterias sulfurosas  de las aguas termales y las bacterias nitrificantes que se encuentran en las raíces de las plantas leguminosas, como frijol, chícharo, alfalfa. Algunas de estas bacterias también viven en los pantanos o en el fondo del mar, hasta a 1500 m de profundidad, en grietas hidrotermales.

Los organismos quimiosintéticos no son comunes en la naturaleza, sin embargo son muy importantes. Las bacterias nitrificantes hacen accesible para las plantas el nitrógeno del suelo y de esta forma favorecen su desarrollo.
 
Fotosíntesis.-  El proceso de fotosíntesis consiste en convertir dióxido de carbono y agua en azúcares que sirven como alimento a la planta y a los animales que la consumen. Todas las plantas, algunas bacterias y las algas unicelulares realizan el proceso de la fotosíntesis en el que utilizan como fuente de energía el sol. La clorofila que contienen las células de las plantas absorbe la energía del Sol para extraer átomos de hidrógeno de las moléculas de agua, que se unen a átomos de carbono tomados del dióxido de carbono y se enlazan en una cadena para empezar a formar moléculas de glucosa.

 

Como puedes ver en la ecuación, además de la glucosa, la fotosíntesis produce moléculas de oxígeno, que se liberan al aire y que los organismos aeróbicos utilizan para la respiración. La glucosa les permite a las plantas elaborar biomoléculas como proteínas o polisacáridos, que  a su vez son los componentes de tallos, hojas, raíces, flores y frutos, la glucosa también proporciona energía a la planta, ya sea que la utilice de inmediato o que la almacene en reservas de almidón.  
 
Los organismos fotosintéticos surgieron hace 2500 millones de años en los mares primitivos de la Tierra, la atmósfera carecía de oxígeno y fueron los procesos fotosintéticos los que modificaron la atmósfera de manera que se convirtiera en la que hoy conocemos, que contiene oxígeno y la capa de ozono que nos protege de las radiaciones ultravioleta del sol. La mayor parte de los organismos fotosintéticos se encuentran en el mar y son algas microscópicas las que llevan a cabo 70% de la fotosíntesis del planeta.  Las plantas son autótrofas es decir que producen sus propios alimentos, y son la base de la cadena alimenticia (productores).
 
La fotosíntesis se lleva a cabo dentro de los cloroplastos de las células de plantas, algas, organismos unicelulares, o bien, dentro de una bacteria fotosintética. La luz es captada por las plantas a través de la clorofila y de los pigmentos fotosintéticos. Los pigmentos fotosintéticos son la clorofila a, la clorofila b (verdes), los carotenos (rojos, naranjas), las xantofilas (amarillas), que se encuentran en la mayoría de las plantas; la ficocianina ( azul) y la ficoeritrina ((rojo) presentes en algunas algas, y la bacterioclorofila que se encuentra en las bacterias fotosintéticas. La clorofila capta ciertas longitudes de onda, principalmente las que corresponden al violeta y al azul, y también al rojo. La fotosíntesis se divide en dos fases: la fase luminosa o dependiente de la luz y la fase oscura o independiente de la luz.
 
Fase luminosa: En esta fase los fotones o cuantos excitan a los electrones de la clorofila del fotosistema II y los elevan a un nivel altamente energético. Este proceso hace que salgan del complejo en que estaban y viajen hacia las moléculas del fotosistema I. Al regresar lentamente a su estado basal de energía, estos electrones impulsan la síntesis de ATP en las membranas del tilacoide de los cloroplastos. 
 
El proceso se ha iniciado pero queda un hueco en la molécula de clorofila del fotosistema II que perdió un electrón. Ahora se requiere de un donador de electrones y la molécula de agua cubre este requerimiento. Se produce un proceso de fotolisis, es decir, la molécula de agua se rompe por la acción de la luz y es entonces cuando se libera oxígeno. Los iones H son captados por una molécula acarreadora, el NADPH (nicotiamida adenina dinucleótido fosfato), y los electrones cubren los huecos de la clorofila.
 
 

 
En resumen:
-Se excitan los electrones de la clorofila por efecto de la luz.
-Se produce ATP (para utilizarse en la fase oscura)
-Se rompe la molécula de agua.
-Se produce NADPH para utilizarse en la fase oscura.
 
Fase oscura o independiente de la luz, se le llama así porque cuando se inicia esta etapa ya se ha atrapado la energía solar en los enlaces del ATP y en el NADPH, de manera que el proceso ya no depende de la luz para realizarse. Los ingredientes para elaborar una molécula de azúcar  ya están listos y se llevan a cabo varias reacciones cíclicas conocidas como ciclo de Calvin.  Para que esta etapa se lleve a cabo se  requiere de tres reactivos:
 
-ATP (producido en la fase luminosa).
-NADPH (producido en la fase luminosa).
-CO2 (que la planta absorbe del aire).
 
Este proceso se lleva a cabo en tres etapas
Primera etapa .- Fijación del carbono; el CO2 se combina con un compuesto de cinco carbonos llamado ribulosa bifosfato (RDP) y se produce una molécula de seis carbonos. Esta molécula es inestable, se rompe y da lugar a dos moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA). En cada ciclo entran tres moléculas de CO2, por lo que se producen seis moléculas de PGA.
 
Segunda etapa.- A partir del PGA, con el ATP y los hidrógenos del NADPH se producen seis moléculas de fosfogliceraldehído (PGAL).
 
Tercera etapa.- Cinco moléculas de PGAL regeneran la ribulosa bifosfato y una es utilizada para la síntesis de glucosa. Para la producción de una molécula de glucosa se necesitan dos vueltas del ciclo.
           
Se produce glucosa. Posteriormente, ésta puede ser transformada en la planta a sacarosa, almidon, y otras biomoléculas, que serán aprovechadas por la misma planta como fuente de energía, así como por los animales.
 
 
5.- Caracteriza las formas de nutrición de los seres vivos Heterótrofos: Holozoicos,  Saprofitos, Parásitos 
 
Los organismos que no producen sus propios alimentos son heterótrofos, la forma en que cada organismo obtiene su alimento puede variar:
 
Holozoica.- El organismo ingiere su alimento en forma sólida y posteriormente los digiere para obtener los nutrientes que contienen. Esta nutrición es característica de los animales; Los herbívoros comen plantas, los carnívoros, tienen dientes afilados para desgarrar a sus presas, otros comen una variedad de ambos y se llaman omnívoros. Este tipo de nutrición, a base de partículas sólidas, requiere de sistemas digestivos que degradan la materia orgánica hasta convertirla en compuestos s que son utilizados por las células como fuente de energía.
 
Saprofita.- en este tipo de nutrición el organismo absorbe los nutrientes del medio y los descompone por medio de enzimas para obtener la energía que necesita. Ejemplos de organismos que se nutren de esta manera son los hongos, las levaduras, los mohos, y casi todas las bacterias. Estos organismos cumplen un papel ecológico muy importante porque reintegran al medio ambiente la materia orgánica de plantas y animales muertos. Cuando un alimento se descompone, es porque las bacterias del aire llegan a nutrirse de este y liberan algunas productos de desecho quedan un olor característico a ese alimento. Muchos organismos saprobios realizan procesos de fermentación, por ejemplo las levaduras que son utilizadas para elaborar vino, los lactobacilos que elaboran el yogur.
 
Parásita.- En este caso el organismo vive sobre o dentro de otro organismo al cual perjudica y del que obtiene sus nutrientes por ingestión o por absorción. Ectoparásitos.-viven sobre el organismo como las garrapatas, pulgas, chinches, piojos, hongos. Endoparásitos.- viven dentro del organismo que afectan, como las amibas, lombrices intestinales y bacterias, estos pueden parasitar a plantas y animales
 
 
 6.-Identifica los procesos del catabolismo que favorecen la obtención de energía en los organismos: Respiración Celular, Fermentación 
 
Cuando respiramos llevamos aire a nuestros pulmones, aunque este proceso no es útil al organismo hasta que el oxígeno que entra al cuerpo llega a cada una de nuestras células; entonces se inicia la respiración celular. Todos los organismos sean plantas o animales necesitan llevar a cabo procesos de respiración celular para obtener la energía que está contenida en los enlaces químicos de los alimentos.
 
El compuesto que transfiere la energía química necesaria para llevar a cabo todas las actividades de la célula es el ATP. Cada actividad cuesta al organismo cierta cantidad de ATP dormir, caminar, estudiar, bailar o jugar futbol. A mayor intensidad en la actividad, mayor será el gasto de ATP y, por lo tanto, mayor la cantidad de nutrientes que es necesario ingerir para extraer de ellos la energía requerida.
 
Formula general de la respiración celular
 
            Los procesos de fotosíntesis y respiración son inversos, En la fotosíntesis se capta la energía solar y se produce glucosa, mientras que en la respiración se transforma la glucosa de nuevo en sus componentes: dioxido de carbono y agua, y se libera energía en forma de ATP.
 
Fases de la respiración aerobia.
 
El proceso de la respiración celular se inicia en el citoplasma y se concluye en la mitocondria. Consta de tres fases o etapas:
 
Etapa Sitio donde se lleva a cabo ATP producidos requerimientos
Glucólisis citoplasma 2 Sin oxígeno
Ciclo de Krebs Mitocondrial (matriz) 2 oxígeno
Cadena de transporte de electrones Mitocondria (crestas) 32 oxígeno
 
El término glucólisis significa romper la glucosa. Este proceso se realiza en el citoplasma de la célula. Se inicia cuando la glucosa, molécula de seis carbonos entra a través de la membrana celular. Empiezan a actuar sobre ella diversas enzimas hasta convertirla en dos moléculas de tres carbonos. Llamadas ácido pirúvico. El proceso consiste en 11 reacciones, lo que da como resultados dos ATP por cada molécula de glucosa y la liberación de dos moléculas de H+ que se unen a NAD y forma dos moléculas de NADH. Esta etapa de la respiración no requiere de oxígeno.    


 
Ciclo de krebs.- esta etapa se lleva a cabo en la mitocondria. El piruvato que se ha formado en la glucólisis entra a la matriz mitocondrial y libera una molécula de CO2: Una coenzima se enlaza con el fragmento de dos carbonos y se transforma en acetil coenzima A. Se produce una molécula de NADH por cada piruvato. El  ciclo de krebs es como un molino que rompe losrestos de glucosa cadavez más hasta convertirlos en dióxido de carbono e hidrógeno. Los hidrógenos son atrapados por moléculas acarreadoras especializadas: el NAD (nicotinamida adenín dinuclótido) y el FAD (flavín adenín dinicleótido). Así en esta etapa por los dos piruvatos se obtienen cuatro moléculas de CO2, dos de ATP y, y ocho moléculas de NADH y dos de FADH.

  
 
Cadena de transferencia de electrones.-  La etapa de la cadena de transferencia de electrones es la más provechosa puyes se utilizan los electrones que traen las moléculas acarreadoras para la obtención de ATP: Hagamos un recuento de estas moléculas:
 
2 NADH en la glucolisis.
8 NADH en el ciclo de Krebs.
2 FADH2 en el ciclo de Krebs.
 
Este proceso se lleva a cabo en la membrana de las crestas mitocondriales y consiste en el bombeo de iones hidrógeno de un lado a otro de la membrana, a través de una serie de moléculas aceptoras. Se obtienen 32 moléculas de ATP, una enorme cosecha de energía.
 
 El último aceptor de los iones hidrógeno es el oxigeno, así que el último producto que se forma en este proceso es el agua (H2O), si la célula deja de recibir oxígeno, la cadena de transporte de electrones se detiene, y se deja de producir ATP. Asimismo se detiene el ciclo de Krebs, por esto es muy importante el oxígeno en nuestras células, ya que sin el se deja de producir energía y se llega a la muerte. La eficiencia del proceso respiratorio para obtener energía de una molécula de glucosa. Por cada molécula de glucosa se obtienen 36 moléculas de ATP, de las cuales dos se producen en la glucólisis, dos en el ciclo de Krebs y 32 en la cadena de transporte de electrones.
 
Respiración anaerobia y fermentación
La respiración en los organismos puede ser aerobia cuando requiere de oxígeno y anaerobia cuando se realiza en ausencia de este. Los únicos organismos anaerobios que se conocen son algunos tipos especiales de bacterias, como las que viven en los fondos de los pantanos y las que crecen dentro de algunas latas de alimentos que pueden causar la enfermedad del botulismo que es mortal. También algunos organismos fermentadores, hongos  son anaerobios., algunos de ellos son facultativos, readaptan cuado hay oxigeno son aerobios y si no hay se vuelven anaerobios. Desde el punto de vista evolutivo, el primer proceso que desarrollaron las células para extraer energía de los alimentos fue la respiración anaerobia.
 
Los procesos de respiración aerobia y anaerobia están muy relacionados, de hecho toda respiración aerobia se inicia por un proceso anaeróbico que es la glucólisis Los organismo fermentadores transforman la glucosa en ácido pirúvico o piruvato y, en vez de realizar el ciclo de Krebs, convierten el ácido pirúvico en alguna otra sustancia como ácido láctico (fermentación láctica), o alcohol y dióxido de arbono (fermentación alcohólica. El rendimiento del proceso es tan sólo de dos moléculas de ATP por cada glucosa. Por eso los únicos organismos que pueden vivir de la fermentación son microscópicos.
 

El proceso de fermentación ha sido aprovechado por el hombre  para elaborar bebidas alcohólicas, a partir de jugos dulces, como el de uva para obtener vino, caña para el ron, piña en tepache. En todos estos casos se requieren microorganismos que transformen el jugo a través de la fermentación. La fabricación del pan también depende de la fermentación alcohólica. A la masa se  le pone levadura, un organismo unicelular llamado Sacharomyces, éste la fermenta y en el proceso se libera en forma de gas dióxido de carbono y alcohol. Con esto se expande la masa y el pan queda esponjado. La fermentación láctica da como resultado el yogurt, leche búlgara y quesos (lactobacilos).
 
Este tipo de fermentación se lleva a cabo de manera natural en nuestros músculos. Cuando realizamos una actividad física intensa, como correr a gran velocidad una corta distancia, no le damos tiempo a las células de procesar toda la glucosa por medio de la respiración para obtener ATP, entonces algunas moléculas de piruvato se acumulan y se transforman en ácido láctico. 

 
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