Práctica Biología General
Procesos Metabólicos
Autor:
J. David Hernández Martich
Escuela de Biología, Facultad de Ciencias Univ. Autónoma de Santo Domingo (UASD)
Energía solar o
física
Clorofila Clorofila Clorofila
Energía química o
biológicamente útil
Comparar/contrastar los procesos de fotosíntesis y respiración celular Reconocer qué tipo de organismos pueden realizar la fotosíntesis Comparar/contrastar la respiración celular aeróbica y la anaeróbica Valorar la fotosíntesis como proceso de acopio de energía para todos los organismos vivos, purificador del aire y generador de bienes y servicios
https:// www.cambio16.com/uso-de-mascarillas-es-una-barrera-para-la-poblacion-sorda/%20Foto%20 Reuters%20/%20Mike
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1 Objetivos de aprendizaje
Preguntas de reflexión
¿Cómo obtienen los organismos vivos la energía que los mantiene con vida?
¿Qué tipo de organismos realizan la fotosíntesis?
¿Cuál es la principal fuente de carbono de los organismos vivos?
¿El proceso de respiración celular es igual en todos los organismos vivos?
¿En qué organelos de las células eucariotas ocurren la fotosíntesis y la respiración?
¿Cómo se vincula la respiración celular con la respiración general de un organismo multicelular?
Introducción
El conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células es conocido como reacciones metabólicas o simplemente metabolismo. Esas reacciones rara vez ocurren solas y por lo regular forman parte de cadenas y redes metabólicas que son parte de procesos importantes como la fotosíntesis y la respiración celular. Todos los organismos vivos necesitan respirar, mientras que solo los organismos que contienen clorofila pueden realizar la fotosíntesis.
En los organismos eucariotas, la fotosíntesis ocurre en organelos membranosos llamados cloroplastos, los cuales son plastidios que contienen clorofila, un pigmento verde que es fundamental para que ocurra ese proceso. Por otro lado, en ese tipo de organismos,
la respiración celular ocurre en otro tipo de organelos membranosos denominados mitocondrias. Cada uno de estos organelos contiene enzimas especiales que le permiten realizar el proceso metabólico correspondiente.
Todos los organismos eucariotas contienen mitocondrias, y muchos de ellos también contienen cloroplastos como es el caso de las plantas. Todas las partes verdes de una planta contienen cloroplasto con clorofila, y por tanto realizan la fotosíntesis. De manera que, aunque las hojas verdes son los órganos fotosintetizadores más importantes, no son los únicos que realizan el proceso de fotosíntesis.
En el caso de los organismos procariotas, como no tienen ningún tipo de organelo membranoso, las enzimas respiratorias están en el citoplasma; aquellas que tienen clorofila (Ej., las cianobacterias),
la contienen en unas extensiones internas especiales de la membrana plasmática.
Fotosíntesis y respiración en las células de las plantas
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La energía es imprescindible para que las células puedan realizar la mayoría de las reacciones metabólicas. Las células de los animales utilizan la energía que éstos obtienen de los alimentos que ingieren, ya sean suministrados por sus dueños si son domésticos, o de las plantas y/u otros organismos de
su entorno si son silvestres. ¿Te has preguntado cómo pueden las plantas obtener la energía para sus reacciones metabólicas?
Los organismos con clorofila como las plantas obtienen la energía directamente del sol cuando realizan el proceso de la fotosíntesis: la clorofila captura esa energía, la cual junto con enzimas provocan una serie de reacciones químicas que hacen que el dióxido de
Carbono (CO2) y agua (H2O) se combinen. Estas reacciones producen la glucosa (C6H12O6), una azúcar monosacárido que tiene la energía solar ya transformada en energía química en los enlaces que unen sus átomos.
El H2O es absorbida del suelo por las raíces de las plantas junto con minerales; esa mezcla es denominada savia bruta y es conducida al resto de la planta. El CO2 es absorbido a través de los estomas que están en la epidermis de los tejidos verdes y que vimos en las hojas de magueyito de la Práctica #4. También vimos que, a través de los estomas, las plantas eliminan O2 y H2O producidas en el proceso de respiración celular. El O2 requerido por las plantas para su respiración también es absorbido del aire a través de
los estomas.
¿Y para qué sirve la glucosa a las plantas? Una vez producida la C6H12O6, ésta puede ser utilizada directamente por las plantas en su respiración celular para liberar y utilizar la energía de sus enlaces químicos o producir con ella y los minerales otros compuestos importantes para la estructura y función de la planta. Por ejemplo, ¿recuerdas que el almidón es un polisacárido formado por muchas moléculas de glucosa, y que el azúcar de mesa contiene sacarosa, un disacárido formado por dos monosacáridos: glucosa y fructosa? La mezcla en agua de todos los compuestos elaborados por la planta se denomina savia elaborada y es distribuida a todas sus células.
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Tejido epidérmico de la hoja de la planta de magueyito (fotografía tomada con el
microscopio compuesto)
Modificado de https://www.lifeder.com/estomas-plantas/
Intercambio de gases a través de los estomas durante la fotosíntesis (Estas estructuras también son utilizadas durante el proceso de respiración celular para inhalar O2 y exhalar CO2 y H2O).
Ver video https://www.youtube.com/watch?v=4y0fEYptvEk Estoma
ACTIVIDAD 1
¿Cuáles son los cuatro ingredientes imprescindibles para que ocurra la fotosíntesis y cuáles son los productos finales de ese proceso? Recuerda que la fotosíntesis es un proceso complejo de muchas reacciones químicas que requieren enzimas que están en los cloroplastos de las plantas (y en el citoplasma de los procariotas fotosintetizadores).
En el siguiente diagrama, puedes apreciar de forma simplificada tres ingredientes necesarios para que ocurra la fotosíntesis ¿Cuáles son? ¿Cuál no aparece en el esquema?
En el dibujo anterior, indica con flechas qué ocurre con el O2 y el CO2 durante la respiración celular de las plantas.
El CO2 es absorbido por los estomas de las plantas → La absorción del agua H2O y junto con el dióxido de carbono CO2 forma lo que es la glucosa (C6H12O6) formado por la ruptura del compuesto H2O por la luz y la con la glucosa la planta expulsa el O2 que también fue resultado de la composición de la glucosa
Aquí representamos de forma simplificada lo que se necesita y lo que resulta en los procesos de fotosíntesis y respiración celular de las plantas:
Recuerda que el ATP (adenosín trifosfato) es considerada la “moneda energética en las células”, ya que casi todas las reacciones requieren un número determinado de ATPs para poder ocurrir.
Se forma con la energía que se libera en el rompimiento de la glucosa y otras moléculas de carbohidratos. Junto con las enzimas, el ATP provoca reacciones metabólicas importantes para la estructura y el funcionamiento de las células y de los
organismos multicelulares. ¿Qué relaciones existen entre los dos esquemas de arriba?
A diferencia de los animales, las plantas pueden usar la energía solar para producir sus propios alimentos en la fotosíntesis; pero no usan directamente la energía para otros procesos metabólicos como la respiración celular. Después de convertir la energía solar en energía química en los en laces de glucosa, una célula vegetal tiene que romper esta molécula durante su respiración para liberar esa energía y usarla para su mantenimiento,
crecimiento y funcionamiento.
La luz solar no solo es necesaria para realizar la fotosíntesis que produce la glucosa que sirve para alimentar a la planta. y formar otras moléculas que permiten su crecimiento y funcionamiento. También se precisa de luz solar para el desarrollo de los cloroplastos y
la síntesis de clorofila.
ACTIVIDAD 2
Decimos que las plantas son autótrofas, es decir que producen por sí mismas sus alimentos. Los animales, los hongos y gran parte de los organismos procariotas tienen que utilizar la energía captada por las plantas consumiendo vegetales u organismos que se alimentaron de plantas; por eso se les denomina heterótrofos.
Llena dos envases pequeños con tierra; en cada uno, siembra 5 semillas de maíz o de habichuelas. Coloca uno de los envases en un lugar totalmente obscuro en la casa y el otro, en un lugar iluminado. A cada uno, agrega una cucharada de agua de manera interdiaria. A los diez días, observa la diferencia entre las plantas que crecieron en la obscuridad y las que crecieron en lugar con luz.
A. ¿Qué diferencia notaste en el color de las hojas?
Que las hojas de la matita que estaba en el lugar oscuro es más tienen las hojas de color verde claro casi amarillo.
B. ¿A qué se debe que el color de las plantas en la obscuridad sea diferente al de las plantas que se dejaron expuestas a la luz?
Se debe a que si la planta no recibe luz solar no realiza la fotosíntesis, por lo tanto no se activa la clorofila
C. ¿Aparte del color, notaste alguna diferencia en el estado general de las plantas dejadas en la oscuridad con aquellas dejadas en la luz? Explica las diferencias observadas.
Otra diferencia es el tallo de la planta de maíz que está en la oscuridad es blanco y es más débil, en cambio la que esta expuesta al sol es de color más verdoso y su tallo es más fuerte.
Los tallos son de un color más claro, además estos mismos poseen una posición de forma mas recta en vez de estar de forma un poco más curveada
D. Explica como la fotosíntesis ha contribuido a producir plantas con un mejor estado general.
La fotosíntesis no solo contribuye si no que es indispensable para la alimentación de las plantas y por eso entre más eficiente sea su proceso foto sintético, en mejor estado se van a ver.
E. ¿Cómo resumirías la importancia de la energía solar para las plantas?
La fotosíntesis es de vital importancia para las plantas ya que debido a ella las plantas crecen con los nutrientes necesarios para fortalecerse, ya que las plantas utilizan esa energía química de la fotosíntesis para crecer, almacenar nutrientes en sus tallos, raíces, frutos y semilla.
¿Cómo resumirías la importancia de la energía solar para los animales y otros organismos heterótrofos?
Es sumamente importante para los heterótrofos ya que ellos no pueden hacer sus propios alimentos por lo que deben comer o absorberlos, por otra parte la luz solar influye en los animales para que puedan obtener nutrientes vitaminas y el calor necesario. Herbívoros y carnívoros tienden a su dependencia pues a los herbívoros alimentarse de estas para vivir los carnívoros necesitan de los herbívoros produciendo así una cadena alimenticia y producir oxígeno para poder respirar nosotros
Importancia de la fotosíntesis
Ya habrás intuido que la fotosíntesis es de vital importancia para el mantenimiento de la vida en nuestro planeta. La gran mayoría de la energía que utilizan todos los organismos vivos proviene directa o indirectamente del sol. Los organismos fotosintéticos como las plantas, las algas y algunas bacterias toman esa energía y la convierten en energía química, utilizando el carbono del dióxido de carbono del aire y el agua absorbida del suelo para sintetizar glucosa y los demás compuestos orgánicos de sus células.
Las plantas utilizan la energía química producida en la fotosíntesis para mantenerse vivas, crecer y almacenar nutrientes en sus raíces, tallos, frutos y semillas. Los seres humanos y otros organismos que no pueden realizar este proceso deben usar los compuestos orgánicos de las plantas con la energía química que contienen (o si son
Carnívoros, la consumen de herbívoros que se alimentan de plantas).
Además de proveer alimento para todos los organismos vivos, la fotosíntesis permite que las plantas provean servicios ambientales como retención del agua en el suelo y condensación y precipitación del agua de la atmósfera. También permite la construcción de bienes con la madera y otras de sus partes. Es preciso destacar, además, que muchas sustancias producidas por las plantas sirven para la producción de medicamentos y otros productos químicos.
La fotosíntesis también influye en la composición de la atmósfera de la Tierra. Los organismos fotosintéticos también producen oxígeno. Hace unos 333 mil millones de años, la atmósfera tenía una proporción muy
baja de oxígeno, lo cual limitaba la vida de los organismos que requieren
este gas para su respiración celular (aeróbicos). Entonces apareció la fotosíntesis en bacterias similares a las cianobacterias. La aparición de este fenómeno cambió para siempre la vida en el planeta, liberando
paulatinamente oxígeno en la atmósfera. El aumento en la concentración de oxígeno favoreció la evolución y diversificación de los organismos aeróbicos. De no ser por esos fotosintetizadores ancestrales, nuestra especie y una gran parte de la biodiversidad del planeta, no seríamos residentes de la gran casa llamada Tierra.
Al usar grandes cantidades para sintetizar compuestos orgánicos, los organismos fotosintéticos contribuyen a reducir el dióxido de carbono atmosférico, el cual es
ACTIVIDAD 3
considerado un contaminante si está en exceso. La reducción del número de plantas, las algas y bacterias fotosintéticas hace que el dióxido de carbono se acumula en la atmósfera. Para agravar más la contaminación de la atmosfera por este gas, sus niveles son aumentados por actividades humanas, reteniendo el calor y provocando que el clima cambie. En lugar de reducir los bosques y otros espacios con vegetación, su conservación
es cada vez más apremiante para combatir el aumento en los niveles de dióxido de carbono y sus consecuencias para la sobrevivencia del ser humano y los demás seres vivos en la Tierra.
Auxiliándote del internet y otras fuentes de información, responde las siguientes preguntas:
A. Describe cinco servicios ambientales de los bosques
Captación y filtración de agua
Mitigación de los efectos del cambio climático
Generación de oxígeno y asimilación de diversos contaminantes
Protección de la biodiversidad.
Retención de suelo.
B. Nombra cinco medicamentos que se obtienen de las plantas
Algunos de los medicamentos clásicos derivados de plantas, según cita el doctor Domínguez Gil- Hurlé, son la digoxina (para el corazón), la Vinca (antitumoral), la Ergotamina (frente a la migraña), la pilocarpina (para el glaucoma), la efedrina (indicada en problemas
Respiratorios) y la atropina (en anestesia)
C. Nombra cinco productos químicos que no sean medicamentos que se obtienen de las plantas -Aminoácidos
1-Espesantes, como goma xantana y cartagenina 2-Levaduras y extractos de levadura
3-Cultivos iniciadores 4-Enzimas técnicas
5-Acido Cítrico
D. ¿Cuáles son las principales causas y consecuencias del cambio climático?
Es necesario que exista equilibrio en la emisión de gases de efecto invernadero para conservar su justa proporción. Sin embargo, las actividades humanas han aumentado la producción de estos gases provocando el llamado calentamiento global, la principal causa del cambio climático. El ser humano es el responsable del cambio climático y sus emisiones de gases de efecto invernadero que calientan el planeta, como veremos más adelante. El gas más conocido es el CO2, causante del 63% del calentamiento global, pero existen otras causas:
Deforestación: la industria maderera, la agricultura, la minería y la ganadería son las principales actividades económicas dedicadas a la tala de árboles. Aumento desproporcionado de gases de efecto invernadero: provocado por el uso de fertilizantes, la actividad química para el tratamiento de aguas residuales, la quema de combustibles fósiles, el transporte, la calefacción y el urbanismo.
Crecimiento acelerado de la población: el aumento de la cantidad de habitantes influye en la producción de gases que exacerban el efecto invernadero
Todos los organismos vivos necesitan realizar la respiración celular, pero no todos lo hacen de la misma forma. Como ya hemos visto con las plantas, muchos organismos vivos, incluyendo los seres humanos y otros animales, necesitan del oxígeno (O2) para liberar y utilizar al máximo la energía química (ATPs) de los enlaces de la glucosa
(C6H12O6), quedando como subproductos los ingredientes químicos inorgánicos que las
plantas utilizaron para formarla durante la fotosíntesis (CO2 y H2O). También Vimos que a este tipo de respiración se le llama respiración celular aeróbica o aerobia.
Por otro lado, hay organismo que no usan oxígeno en su proceso de respiración celular, la cual es denominada anaeróbica o anaerobia. Este tipo de respiración es menos eficiente que la otra porque no aprovecha toda la energía de la glucosa (produce menos ATPs), dejando entre sus subproductos alguno que es orgánico como el acido láctico o el etanol (alcohol etílico) (ver https://www.youtube.com/watch?v=7vyCkz05e-8 ).
.En los animales, el siguiente tipo de respiración anaerobia denominada fermentación láctica ocurre a veces en las células musculares. Esto ocurre solo cuando el oxígeno que va a las células musculares no es suficiente si hacemos una actividad muscular extrema
y con respiración inadecuada.
Ciertos hongos como las levaduras realizan la respiración anaerobia denominada fermentación etílica que produce el alcohol o etanol, y dióxido de carbono.
A diferencia de los tres tipos de respiración celular descritos anteriormente arriba, algunas bacterias realizan la respiración anaerobia utilizando como ingrediente el etanol. Este tipo de respiración es denominada fermentación acética y produce ácido acético,
Respiración anaerobia comparada con la respiración anaerobia
ACTIVIDAD 4
agua y dióxido de carbono. El ácido acético es uno de los componentes del vinagre. A diferencia de los otros dos tipos de fermentación, la acética, utiliza el oxígeno y por lo tanto es aeróbica;
pero tiene en común con los otros tipos de fermentación que no libera toda la energía de la molécula fuente (el etanol) y produce un compuesto orgánico (ácido acético).
En el video que aparece en https://www.youtube.com/watch?v=zsfYJs3O2wo, podrás ver un experimento que demuestra la producción de CO2 en la fermentación etílica de la levadura de pan. Si puedes obtener los materiales enumerados en el video, sería recomendable seguir las instrucciones y hacer el experimento tú mismo. De lo contrario, observa bien lo que ocurre.
La temperatura del agua caliente acelera la actividad respiratoria de las levaduras. El CO2
producido por las levaduras se combina con el agua y produce ácido carbónico, el cual disuelve el carbonato de calcio sólido (de color blanco) de la tiza formando carbonato ácido de calcio disuelto que es transparente.
C O
2
+ H2
O
→ H2CO3
Dióxido de carbon o
+ Ag
ua → Ácido
carbónico
CaCO3 + H2CO3 ↔ Ca(HCO3)2
Carbonato de calcio
(Blanco) + Ácido
carbónico ↔ Carbonato ácido de calcio (Transparente)
A. ¿Cuál es la función del azúcar en este experimento?
Alimentar y dar la energía para realizar las funciones vitales a la levadura para producir dióxido de carbono.
B. ¿Si en vez de agua caliente, utilizáramos, agua a temperatura ambiente, las
células de levadura realizarían la respiración? Explique su respuesta.
NO, El agua debe tener una temperatura perfecta de entre 32 y 38 grados Celsius para poder activar la levadura
C. ¿Si no usáramos azúcar, las células de levadura realizarían la respiración?
Explique su respuesta.
No. Porque la levadura se alimenta de azucares y almidones para poder hacer su función.
Entra a https://www.youtube.com/watch?v=Yhpme_G2QcU.
A. Después de ver el video que aparece en ese enlace, describe cómo, en un organismo multicelular, se vincula su respiración celular aeróbica con su respiración general.
B. Exhala aire por la boca sobre una superficie fría de metal (Ej., una cuchara) o de vidrio (Ej., un vaso o un espejo). Asegúrate de hacerlo temprano en la mañana cuando la temperatura atmosférica no esté muy alta, y si es necesario coloca la cuchara o vaso unos diez minutos en la nevera para enfriar su superficie. Notarás que se opaca la superficie.
¿A qué se debe esto? Recuerda que en la respiración aérobica se produce CO2 y H2O, ambos se exhalan del cuerpo humano en forma de gas. El agua sale en forma de vapor de agua y se condensa en una superficie fría. Una condensación similar a la que ocurre cuando el agua de las nubes pasa por un bosque y se condensa (pasa del estado gaseoso al estado líquido), y precipita en forma de lluvia.
ACTIVIDAD 5
Protocolo
Ahora que has terminado la lectura y los ejercicios, debes llenar el siguiente protocolo:
Informe de Actividad Práctica sobre Procesos Metabólicos
Profesor Ramón Alberto López Ynoa Biología General
Participantes en las actividades
Ricardo Peña García 2021-0892 Dorkinia Méndez Díaz 2014-0284
Alexandra Cuevas Carrasco 2019-0941 Alejandro M. Encarnación E. 2021-1086
1. Compare y contraste los procesos de fotosíntesis y respiración celular aeróbica.
Mientras la fotosíntesis requiere dióxido de carbono y libera oxígeno, la respiración celular requiere oxígeno y libera dióxido de carbono. la respiración celular libera dióxido de carbono al ambiente, la fotosíntesis saca dióxido de carbono fuera de la atmósfera.
2. Explique porque las cotorras verdes no pueden realizar la fotosíntesis.
- Las cotorras verdes no pueden realizar la fotosíntesis porque son animales. Los únicos seres vivos que pueden realizar la fotosíntesis son las plantas, algunas algas y bacterias.
3. Explique porque la fermentación etílica se considera anaeróbica, y nombre los resultados principales de este tipo de respiración.
- Porque se produce en ausencia de oxígeno.
4. El sol es la principal fuente de energía de todos los organismos vivos; pero un ser humano o cualquier animal no puede utilizar directamente la energía solar para realizar las reacciones que requiere en sus células para mantenerse vivo. Nombre y explique el proceso mediante el cual obtiene esa energía.
- La respiración es el proceso por el cual los seres vivos degradan moléculas orgánicas (carbohidratos o grasas) que proporcionan los alimentos, para obtener energía biológicamente utilizable en forma de adenosín trifosfato (ATP). La respiración es la vía principal del catabolismo celular. El principal sustrato orgánico utilizado por las células para producción del ATP es la glucosa.
5. El Carbono es indispensable para sintetizar los compuestos orgánicos que son necesarios para los organismos; ¿cuál es la principal fuente de carbono de las plantas?
-La principal fuente de carbono para los productores es el CO 2 del aire atmosférico, que también se halla disuelto en lagos y océanos. ... Durante la fotosíntesis, las plantas verdes toman CO 2 del ambiente abiótico e incorporan el carbono en los carbohidratos que sintetizan.
6. ¿Es el proceso de respiración celular igual en todos los organismos vivos? Explique su respuesta.
- La célula, como unidad estructural y funcional de los seres vivos, es la encargada de realizar el proceso de respiración y obtención de energía. Por tanto, la respiración celular es común a todos los organismos que existen.
7. ¿En qué organelos de las células eucariotas ocurren la fotosíntesis y la respiración?
- Mitocondrias y cloroplastos: Son orgánulos acotados por una membrana externa y otra interna. Poseen en su interior ADN y ribosomas. La mitocondria produce la mayor parte de la energía de la célula, mediante la respiración celular. El cloroplasto es un orgánulo de células vegetales en el que se produce la fotosíntesis.
8. ¿Cuál es la función del ATP en las células?
-El ATP desempeña un papel crítico en el transporte de macromoléculas tales como proteínas y lípidos en y fuera de la célula. La hidrólisis del ATP ofrece la energía requerida para que los mecanismos de transporte activo lleven tales moléculas a través de un gradiente de concentración.
9. Las células del ser humano, como en todos los organismos aeróbicos, requieren oxígeno para realizar la respiración; ¿cómo llega el oxígeno a sus células y cómo el cuerpo elimina el agua y el dióxido de carbono que resultan de ese proceso?
- Para mantener la absorción de oxígeno y la emisión de dióxido de carbono, entran y salen de los pulmones entre 5 y 8 L de aire por minuto, y cada minuto se transfiere alrededor del 30% de cada litro de oxígeno desde los alvéolos hasta la sangre, aun cuando la persona esté en reposo. Al mismo tiempo, un volumen similar de dióxido de carbono pasa de la sangre a los alvéolos y es exhalado. Durante el ejercicio, es posible respirar más de 100 L de aire por minuto y extraer de este aire 3 L de oxígeno por minuto. La velocidad de entrada del oxígeno en el organismo es una medida importante de la cantidad total de energía consumida por este.
10. Describa brevemente diversas formas en que la fotosíntesis contribuye a mantener la vida en la Tierra y a sustentar el desarrollo humano.
- La fotosíntesis en fundamental para la vida en el planeta Tierra, debido a: Produce oxígeno, que es liberado a la atmósfera y se obtienen sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas, como el agua, las sales minerales y dióxido de carbono.
