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¿Cómo se energizan (excitan) los electrones que entran en la cadena de transporte de electrones en la respiración celular?


En la fotosíntesis, los electrones son excitados por la energía luminosa del sol (fotoactivada).

¿Cómo se excitan en la respiración celular humana?

Creo que tiene algo que ver con NADH y FADH2.


Puede resultar útil comenzar con una cita de la Introducción al Cap. 9 de Berg et al. Bioquímica (6e) que aborda la pregunta, más o menos como se le pregunta. No puedo encontrar un enlace a las páginas del 5e en línea, así que lo transcribiré de mi texto:

“Una diferencia principal entre la fosforilación oxidativa y la fotofosforilación es la fuente de electrones de alta energía. En la fosforilación oxidativa, estos electrones provienen de la oxidación de combustibles de carbono a dióxido de carbono. En la fotosíntesis, estos electrones se excitan a un nivel de energía más alto por la energía de los fotones ".

Es importante pensar en una de las formas en que los electrones excitados se utilizan en la fotosíntesis. Para citar anteriormente en la Introducción:

"En esencia, la luz se utiliza para crear un potencial reductor".

Lo que esto significa químicamente es que en la fotosíntesis los electrones tienen energía suficiente para reducir el NAD.+ a NADPH. En las reacciones biosintéticas (oscuras) de la fotosíntesis, el NADPH se puede utilizar para reducir el dióxido de carbono a azúcares a partir de los cuales se puede producir glucosa.

Entonces, la glucosa es un compuesto reducido y se puede pensar que 'incorpora' los electrones excitados, ya que su oxidación a dióxido de carbono genera NADH (de NAD+). Por eso:

No hay necesidad de ninguna excitación adicional de electrones, eso se hizo originalmente en la fotosíntesis.


¿Cómo se energizan (excitan) los electrones que entran en la cadena de transporte de electrones en la respiración celular? - biología

Imaginemos que eres una célula. Le acaban de dar una molécula de glucosa grande y jugosa, y le gustaría convertir parte de la energía de esta molécula de glucosa en una forma más utilizable, una que pueda utilizar para impulsar sus reacciones metabólicas. ¿Cómo puedes hacer esto? ¿Cuál es la mejor manera de exprimir la mayor cantidad de energía posible de esa molécula de glucosa y capturar esta energía de una forma práctica?

Afortunadamente para nosotros, nuestras células, y las de otros organismos vivos, son excelentes para recolectar energía de la glucosa y otras moléculas orgánicas, como grasas y aminoácidos). Aquí, repasaremos una descripción general rápida de cómo las células descomponen los combustibles, luego veremos las reacciones de transferencia de electrones (reacciones redox) que son clave para este proceso.


Biología 190 Capítulo 10 Respuestas

CO2 y ATP.
H2O y NADPH.
azúcar y O2.
ATP y NADPH.
energia luminosa.

¿Cuál de las siguientes secuencias representa correctamente el flujo de electrones durante la fotosíntesis?

NADPH → cadena de transporte de electrones → O2
NADPH → O2 → CO2
H2O → NADPH → ciclo de Calvin
NADPH → clorofila → ciclo de Calvin
H2O → fotosistema I → fotosistema II

¿En qué se parece la fotosíntesis en las plantas C4 y las plantas CAM?

Ambos tipos de plantas obtienen la mayor parte de su azúcar en la oscuridad.
En ambos casos, solo se utiliza el fotosistema I.
En ambos casos, los tilacoides no participan en la fotosíntesis.
Ambos tipos de plantas producen azúcar sin el ciclo de Calvin.
En ambos casos, el rubisco no se utiliza para fijar el carbono inicialmente.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones es una distinción correcta entre autótrofos y heterótrofos?

Solo los heterótrofos requieren oxígeno.
La respiración celular es exclusiva de los heterótrofos.
Los autótrofos, pero no los heterótrofos, pueden nutrirse a sí mismos comenzando con CO2 y otros nutrientes que son inorgánicos.
Solo los heterótrofos requieren compuestos químicos del medio ambiente.
Solo los heterótrofos tienen mitocondrias.

¿Cuál de los siguientes no ocurre durante el ciclo de Calvin?

consumo de ATP
fijacion de carbon
oxidación de NADPH
regeneración del aceptor de CO2
liberación de oxígeno

En el mecanismo, la fotofosforilación es más similar a

el ciclo de Calvin.
fosforilación a nivel de sustrato en la glucólisis.
fijacion de carbon.
reducción de NADP +.
fosforilación oxidativa en la respiración celular.

¿Qué proceso es impulsado más directamente por la energía lumínica?

Síntesis de ATP
fijación de carbono en el estroma
reducción de moléculas NADP +
eliminación de electrones de moléculas de clorofila
Creación de un gradiente de pH mediante el bombeo de protones a través de la membrana tilacoide.

En la fotosíntesis, las plantas usan carbono de __________ para producir azúcar y otras moléculas orgánicas. (Resumen de eText)

agua
dióxido de carbono
clorofila
el sol
tierra

¿Cuál de los siguientes grupos de organismos contiene solo heterótrofos? (Resumen de eText)

bacterias
protistas
hongos
Todas las respuestas enumeradas son correctas.
Ninguna de las respuestas enumeradas es correcta.

¿Cómo entra el dióxido de carbono a la hoja? (Concepto de texto electrónico 10.1)

a través de los cloroplastos
a través de las raíces
a través de los tilacoides
a través de los estomas
a través del sistema vascular

En un rosal, la clorofila se encuentra en __________. (Concepto de texto electrónico 10.1)

cloroplastos, que se encuentran en las células del mesófilo en los tilacoides de una hoja
células del mesófilo, que se encuentran dentro de los tilacoides de los cloroplastos de una hoja
tilacoides, que se encuentran en las células del mesófilo en los cloroplastos de una hoja
cloroplastos, que se encuentran en los tilacoides en las células del mesófilo de una hoja
tilacoides, que se encuentran en los cloroplastos de las células del mesófilo de una hoja

¿En qué parte del cloroplasto están las moléculas de clorofila? (Concepto de texto electrónico 10.1)

membranas tilacoides
estroma
estomas
membrana de plasma
lumen tilacoide

La fuente del oxígeno producido por la fotosíntesis se ha identificado mediante experimentos con trazadores radiactivos. El oxígeno proviene de __________. (Concepto de texto electrónico 10.1)

dióxido de carbono
glucosa
radioisótopos
agua
luz

En la fotosíntesis, ¿cuál es el destino de los átomos de oxígeno presentes en el CO2? Terminan __________. (Concepto de texto electrónico 10.1)

como oxígeno molecular
en moléculas de azúcar
en agua
como oxígeno molecular y en moléculas de azúcar
en moléculas de azúcar y en agua

Abrir pista para la Pregunta 8 en una nueva ventana El oxígeno molecular se produce durante __________. (Concepto de texto electrónico 10.1)

glucólisis
Flujo lineal de electrones durante las reacciones de luz.
el ciclo de Calvin
Flujo cíclico de electrones durante las reacciones de luz.
re-energización de electrones por PSI

Abrir pista para la Pregunta 9 en una nueva ventana Las reacciones del ciclo de Calvin NO dependen directamente de la luz, pero por lo general NO ocurren por la noche. ¿Por qué? (Concepto de texto electrónico 10.1)

A menudo hace demasiado frío por la noche para que se produzcan estas reacciones.
Las concentraciones de dióxido de carbono disminuyen por la noche.
El ciclo de Calvin requiere productos que solo se producen cuando los fotosistemas están iluminados.
Las plantas suelen abrir sus estomas por la noche.
Por la noche, no hay agua disponible para el ciclo de Calvin.

El ciclo de Calvin ocurre en el __________. (Concepto de texto electrónico 10.1)

membrana tilacoide
lumen tilacoide
estroma
estomas
matriz

¿Cuál es el papel de NADP + en la fotosíntesis? (Concepto de texto electrónico 10.1)

Ayuda a producir ATP a partir de reacciones a la luz.
Absorbe energía luminosa.
Forma parte del fotosistema II.
Es el principal aceptor de electrones.
Forma NADPH para ser utilizado en el ciclo de Calvin.

¿Un fotón de cuál de estos colores transportaría más energía? (Concepto de texto electrónico 10.2)

verde
amarillo
azul
naranja
rojo

¿Cuál es el rango de longitudes de onda de la luz que absorben los pigmentos en las membranas tilacoides? (Concepto de texto electrónico 10.2)

verde, por eso las plantas son verdes
azul violeta y rojo anaranjado
todo el espectro de luz blanca
el infrarrojo
el rango absorbido por los carotenoides

El papel más importante de los pigmentos en la fotosíntesis es __________. (Concepto de texto electrónico 10.2)

capturar energía luminosa
eliminar los dañinos rayos ultravioleta
almacenar energía
catalizar la hidrólisis del agua
catalizar la síntesis de ATP

Basado en el trabajo de Engelmann, una gráfica de actividad fotosintética versus longitud de onda de luz se conoce como __________. (Concepto de texto electrónico 10.2)

un espectro efectivo
un espectro de absorción
un espectro electromagnético
un espectro de luz visible
un espectro de acción

Cuando los pigmentos de cloroplasto absorben la luz, __________. (Concepto de texto electrónico 10.2)

los pigmentos se reducen
los pigmentos pierden energía potencial
los electrones de los pigmentos se excitan
se desencadena el ciclo de Calvin
los fotones de los pignments se excitan

¿Qué estructura está formada por el centro de reacción, los complejos captadores de luz y los aceptores primarios de electrones que se agrupan y se encuentra en la membrana tilacoide? (Concepto de texto electrónico 10.2)

el centro de fluorescencia
el fotosistema
la cadena de transporte de electrones
NADP + reductasa
ATP sintasa

¿De dónde proceden los electrones que entran en el fotosistema II? (Concepto de texto electrónico 10.2)

Moléculas de clorofila en el complejo de antenas.
ATP
la cadena de transporte de electrones
luz
agua

Durante la fotosíntesis en los cloroplastos, el O2 se produce a partir de __________ mediante una serie de reacciones asociadas con __________. (Concepto de texto electrónico 10.2)

CO2… fotosistema II
H2O… fotosistema II
CO2 ... el ciclo de Calvin
H2O ... fotosistema I
CO2 ... tanto el fotosistema I como el ciclo de Calvin

¿Cuál de los siguientes se cicla en la variación cíclica de las reacciones de luz? (Concepto de texto electrónico 10.2)

electrones
ATP
NADPH
bisfosfato de ribulosa
protones


Oxidación de piruvato

Si hay oxígeno disponible, la respiración aeróbica seguirá adelante. En las células eucariotas, las moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis se transportan a las mitocondrias, que son los sitios de respiración celular. Allí, el piruvato se transformará en un grupo acetilo que será recogido y activado por un compuesto portador llamado coenzima A (CoA). El compuesto resultante se llama acetil CoA. CoA está hecho de vitamina B5, ácido pantoténico. La célula puede utilizar acetil CoA de diversas formas, pero su función principal es llevar el grupo acetilo derivado del piruvato a la siguiente etapa de la vía del catabolismo de la glucosa.

Desglose del piruvato

Para que el piruvato (que es el producto de la glucólisis) entre en el ciclo del ácido cítrico (la siguiente vía en la respiración celular), debe sufrir varios cambios. La conversión es un proceso de tres pasos (Figura 5).

Figura 5. Al entrar en la matriz mitocondrial, un complejo multienzimático convierte el piruvato en acetil CoA. En el proceso, se libera dióxido de carbono y se forma una molécula de NADH.

Paso 1. Se elimina un grupo carboxilo del piruvato, liberando una molécula de dióxido de carbono en el medio circundante. El resultado de este paso es un grupo hidroxietilo de dos carbonos unido a la enzima (piruvato deshidrogenasa). Este es el primero de los seis carbonos de la molécula de glucosa original que se elimina. Este paso procede dos veces (recuerde: hay dos moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis) por cada molécula de glucosa metabolizada, por lo tanto, dos de los seis carbonos se habrán eliminado al final de ambos pasos.

Paso 2. NAD + se reduce a NADH. El grupo hidroxietilo se oxida a un grupo acetilo y los electrones son recogidos por NAD +, formando NADH. Los electrones de alta energía de NADH se utilizarán más adelante para generar ATP.

Paso 3. Se transfiere un grupo acetilo a la conenzima A, dando como resultado acetil CoA. El grupo acetilo unido a la enzima se transfiere a CoA, produciendo una molécula de acetil CoA.

Tenga en cuenta que durante la segunda etapa del metabolismo de la glucosa, siempre que se elimina un átomo de carbono, se une a dos átomos de oxígeno, produciendo dióxido de carbono, uno de los principales productos finales de la respiración celular.

Acetil CoA a CO2

En presencia de oxígeno, el acetil CoA entrega su grupo acetilo a una molécula de cuatro carbonos, oxaloacetato, para formar citrato, una molécula de seis carbonos con tres grupos carboxilo, esta vía recolectará el resto de la energía extraíble de lo que comenzó como glucosa. molécula. Esta vía única se llama con diferentes nombres, pero principalmente la llamaremos el Ciclo del ácido cítrico.

En resumen: oxidación de piruvato

En presencia de oxígeno, el piruvato se transforma en un grupo acetilo unido a una molécula portadora de coenzima A. La acetil CoA resultante puede ingresar a varias vías, pero con mayor frecuencia, el grupo acetilo se entrega al ciclo del ácido cítrico para un mayor catabolismo. Durante la conversión del piruvato en el grupo acetilo, se eliminan una molécula de dióxido de carbono y dos electrones de alta energía. El dióxido de carbono representa dos (conversión de dos moléculas de piruvato) de los seis carbonos de la molécula de glucosa original. Los electrones son captados por NAD + y el NADH lleva los electrones a una vía posterior para la producción de ATP. En este punto, la molécula de glucosa que entró originalmente en la respiración celular se ha oxidado por completo. La energía potencial química almacenada dentro de la molécula de glucosa se ha transferido a portadores de electrones o se ha utilizado para sintetizar algunos ATP.


Respiración celular

Respiración celular en presencia de oxígeno (respiración aeróbica) es el proceso mediante el cual los sustratos orgánicos ricos en energía se descomponen en dióxido de carbono y agua, con la liberación de una cantidad considerable de energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Anaeróbico la respiración descompone la glucosa en ausencia de oxígeno y produce piruvato, que luego se reduce a lactato o a etanol y compañía2. La respiración anaeróbica libera solo una pequeña cantidad de energía (en forma de ATP) de la glucosa. molécula.

La respiración ocurre en tres etapas. La primera etapa es glucólisis, que es una serie de reacciones controladas por enzimas que degrada la glucosa (una molécula de 6 carbonos) a piruvato (una molécula de 3 carbonos) que se oxida más a acetilcoenzima A (acetil CoA). Aminoácidos y ácidos grasos también se puede oxidar a acetil CoA así como a glucosa.

En la segunda etapa, el acetil CoA ingresa al ácido cítrico (Krebs) ciclo, donde se degrada para producir energía rica hidrógeno átomos que reducen la forma oxidada de la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) + ) a NADH, y reducir la coenzima flavina adenina dinucleótido (FAD) a FADH2. (La reducción es la adición de electrones a una molécula, o la ganancia de átomos de hidrógeno, mientras que la oxidación es la pérdida de electrones o la adición de oxígeno a una molécula). También en la segunda etapa de la respiración celular, la carbón átomos de los productos metabólicos intermedios en el ciclo de Krebs se convierten en dióxido de carbono.

La tercera etapa de la respiración celular ocurre cuando el hidrógeno rico en energía átomos se separan en protones [H + ] y electrones ricos en energía en el electrón cadena de transporte. Al comienzo de la cadena de transporte de electrones, el hidrógeno rico en energía en NADH se elimina de NADH, produciendo la coenzima oxidada, NAD + y un protón (H +) y dos electrones (e-). Los electrones se transfieren a lo largo de una cadena de más de 15 moléculas portadoras de electrones diferentes (conocida como cadena de transporte de electrones). Estas proteinas se agrupan en tres grandes sistemas respiratorios enzima complejos, cada uno de los cuales contiene proteínas que abarcan la mitocondria membrana, asegurando los complejos en la membrana interna. Además, cada complejo de la cadena tiene una mayor afinidad por los electrones que el complejo anterior. Esta afinidad creciente impulsa a los electrones hacia abajo en la cadena hasta que se transfieren hasta el final donde se encuentran con la molécula de oxígeno, que tiene la mayor afinidad de todas por los electrones. El oxígeno se reduce así a H2O en presencia de iones de hidrógeno (protones), que originalmente se obtuvieron a partir de moléculas de nutrientes mediante el proceso de oxidación.

Durante el transporte de electrones, gran parte de la energía representada por los electrones se conserva durante un proceso llamado fosforilación oxidativa. Este proceso usa la energía de los electrones para fosforilar (agregar un grupo fosfato) difosfato de adenosina (ADP), para formar la molécula rica en energía ATP.

La fosforilación oxidativa es impulsada por la energía liberada por los electrones a medida que pasan de los hidrógenos de las coenzimas por la cadena respiratoria en la membrana interna de la mitocondria. Esta energía se utiliza para bombear protones (H + ) a través de la membrana interna desde la matriz hasta el intermedio espacio. Esto configura un concentración gradiente a lo largo del cual las sustancias fluyen de alta a baja concentración, mientras que una corriente simultánea de OH - fluye a través de la membrana en la dirección opuesta. El flujo opuesto simultáneo de positivo y negativo Los iones a través de la membrana mitocondrial establecen un gradiente de protones electroquímico. El flujo de protones por este gradiente impulsa una enzima unida a la membrana, ATP sintetasa, que cataliza la fosforilación de ADP a ATP.

Esta serie de reacciones altamente eficientes y que ahorran energía no sería posible en células eucariotas sin los orgánulos llamados mitocondrias. Las mitocondrias son las "centrales eléctricas" de las células eucariotas y están limitadas por dos membranas, que crean dos compartimentos separados: un espacio interno y un espacio intermembrana estrecho. Las enzimas de la matriz incluyen aquellas que catalizan la conversión de piruvato y ácidos grasos en acetil CoA, así como las enzimas del ciclo de Krebs. Las enzimas de la cadena respiratoria están incrustadas en la membrana mitocondrial interna, que es el sitio de fosforilación oxidativa y producción de ATP.

En ausencia de mitocondrias, animal las células se limitarían a la glucólisis para sus necesidades energéticas, que libera solo una pequeña fracción de la energía potencialmente disponible de la glucosa.

Las reacciones de glucólisis requieren la entrada de dos moléculas de ATP y producen cuatro moléculas de ATP para una ganancia neta de solo dos moléculas por molécula de glucosa. Estas moléculas de ATP se forman cuando los grupos fosfato se eliminan de los productos intermedios fosforilados de la glucólisis y se transfieren a ADP, un proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato (síntesis de ATP por transferencia directa de un grupo fosfato de alta energía de una molécula en una vía metabólica a ADP ).

Por el contrario, las mitocondrias que reciben oxígeno producen alrededor de 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada. Células procarióticas, como bacterias, carecen de mitocondrias y membranas nucleares. Los ácidos grasos y los aminoácidos cuando se transportan a las mitocondrias se degradan en el grupo acetilo de dos carbonos en la acetil CoA, que luego ingresa al ciclo de Krebs. En los animales, el cuerpo almacena ácidos grasos en forma de grasas y glucosa en forma de glucógeno para garantizar un suministro constante de estos. nutrientes para la respiración.

Si bien el ciclo de Krebs es una parte integral de la aeróbica metabolismo, la producción de NADH y FADH 2 no depende del oxígeno. Más bien, el oxígeno se usa al final de la cadena de transporte de electrones para combinar con los electrones eliminados de NADH y FADH.2 y con iones de hidrógeno en el citosol para producir agua.

Aunque la producción de agua es necesaria para mantener el proceso de la cadena de transporte de electrones en movimiento, la energía utilizada para producir ATP se deriva de un proceso diferente llamado quimiosmosis.

La quimiosmosis es un mecanismo que utiliza el gradiente de protones a través de la membrana para generar ATP y es iniciado por la actividad de la cadena de transporte de electrones. La quimiosmosis representa un vínculo entre los procesos químicos y osmóticos en la mitocondria que ocurren durante la respiración.

Los electrones que se transportan por la cadena respiratoria en la membrana interna de la mitocondria liberan energía que se utiliza para bombear protones (H + ) a través de la membrana interna desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana. El gradiente resultante de protones a través de la membrana interna mitocondrial crea un reflujo de protones a través de la membrana. Este flujo de electrones a través de la membrana, como una cascada utilizada para alimentar un turbina, impulsa una enzima unida a la membrana, ATP sintetasa. Esta enzima cataliza la fosforilación de ADP a ATP, que completa la parte de la respiración celular llamada fosforilación oxidativa. Los protones, a su vez, neutralizan las cargas negativas creadas por la adición de electrones a las moléculas de oxígeno, con la producción resultante de agua.

La respiración celular produce tres moléculas de ATP por par de electrones en NADH, mientras que el par de electrones en FADH2 generar dos moléculas de ATP. Esto significa que se forman 12 moléculas de ATP por cada molécula de acetil CoA que ingresa al ciclo de Krebs y dado que se forman dos moléculas de acetil CoA a partir de cada molécula de glucosa, se producen un total de 24 moléculas de ATP a partir de cada molécula de este azúcar. Cuando se agrega a la energía conservada de las reacciones que ocurren antes de que se forme acetil CoA, la oxidación completa de una molécula de glucosa da un rendimiento neto de aproximadamente 36 moléculas de ATP. Cuando se queman grasas, en lugar de glucosa, el rendimiento total de una molécula de palmitato, una grasa de 16 carbonos, es de 129 ATP.


Respiración aeróbica

Respiración celular. El lado izquierdo es la glucólisis (anaeróbica). El lado derecho es lo que ocurre en presencia de oxígeno en eucariotas. Las reacciones aeróbicas ocurren dentro de las mitocondrias después de ser alimentadas con moléculas de Acetil-CoA de la reacción preparatoria citoplasmática. Crédito: RegisFrey (CC-BY-SA 3.0)

Primer plano de la Cadena de transporte de electrones (ETC) que tiene lugar en la membrana interna de las mitocondrias. Aquí es donde se utiliza el oxígeno como aceptor final de electrones. Reducción de 1/2 O2 da como resultado la generación de una molécula de agua ( quimiosmosis ). Crédito: Jeremy Seto (CC-BY-NC-SA 3.0)


Respiración anaerobica

  • En la respiración anaeróbica, el nitrato, el sulfato y el Co2 funcionan como un aceptor final de electrones en el ATC.
  • La respiración anaeróbica produce menos energía o ATP en comparación con la respiración aeróbica.
  • La respiración aeróbica la realizan pocas bacterias, arqueas y algunos microbios eucariotas.
  • Paracoccus denitrificans realiza respiración anaeróbica en presencia de O2 y respiración anaeróbica en ausencia de O2.
  • La respiración anaeróbica llevó a cabo diferentes enzimas como la nitrato reductasa (Nar), nitrito reductasa (Nir), óxido nítrico reductasa (Nor) y óxido nitroso reductasa (Nos) para la formación de nitrógeno gaseoso a partir de nitrato.
  • El nitrito se reduce a óxido nítrico (NO) por la enzima periplásmica nitrito reductasa. La óxido nítrico reductasa cataliza la formación de óxido nitroso (N20) a partir de NO. Es parte del complejo citocromo b unido a la membrana. Finalmente, la enzima periplásmica óxido nitroso reductasa cataliza la formación de N2 a partir de N20.

¿Por qué el rendimiento de energía o el rendimiento de ATP en la respiración anaeróbica es bajo?

El aceptor de electrones final de la respiración anaeróbica es el nitrato, que tiene un potencial de reducción positivo bajo en comparación con el oxígeno (aceptor de electrones de la respiración aeróbica). La diferencia en el potencial de reducción estándar de NADH y nitrato es menor que la diferencia de potencial de reducción entre NADH y O2.

Es por eso que el rendimiento energético de la respiración anaeróbica es bajo, porque el rendimiento energético está directamente relacionado con la magnitud de la diferencia de potencial de reducción.


6.1: Fotosíntesis

  • Contribuido por E. V. Wong
  • Axolotl Academica Publishing (Biología) en Axolotl Academica Publishing

De una forma u otra, la energía de las moléculas de combustible de azúcar y grasa se deriva de la fotosíntesis: la conversión de la energía de la luz solar en energía de enlace químico, ya sea directamente en las células vegetales fotosintéticas y ciertas bacterias fotosintéticas, o indirectamente por la ingestión de esas plantas y bacterias. La fotosíntesis es una idea simple: las moléculas de dióxido de carbono atmosférico se unen con moléculas de agua para formar azúcares y oxígeno:

La producción de energía utilizable a partir de la luz solar y la fijación de dióxido de carbono atmosférico son dos conjuntos separados de reacciones. En las plantas, la fotosíntesis tiene lugar solo en células que contienen cloroplastos. Los cloroplastos son orgánulos con un origen evolutivo que se sospecha son similares al de las mitocondrias y, al igual que las mitocondrias, los cloroplastos generan ATP y utilizan un portador de electrones de alta energía a base de nicotinamida. Hay más similitudes: ambos tienen membranas internas muy plegadas, aunque en los cloroplastos hay tres membranas en total, mientras que las mitocondrias solo tienen dos. Finalmente, una cadena de transporte de electrones está incrustada en la membrana tilacoide de los cloroplastos, que funciona de manera muy similar al transporte de electrones en las mitocondrias. Además de los componentes de transporte de electrones y la ATP sintasa (estructural y funcionalmente casi idéntica a la ATP sintasa mitocondrial), la membrana tilacoide también es rica en un conjunto de moléculas que no se encuentran en la membrana mitocondrial interna: moléculas de pigmento que absorben la luz.

En las plantas, estas moléculas de pigmento se dividen en dos clases: las clorofilas y los carotenoides (Figura ( PageIndex <1> )) pero solo las clorofilas pueden mediar en la fotosíntesis. Las bacterias fotosintéticas no contienen clorofila, pero tienen pigmentos carotenoides que pueden realizar la fotosíntesis. Ambos son hidrocarburos hidrófobos que se mantienen en su lugar dentro del plano de la membrana mediante proteínas transmembrana. Las clorofilas son fácilmente reconocibles por el gran anillo de porfirina que contiene Mg 2+, mientras que los carotenoides son largas cadenas de hidrocarburos que pueden tener o no estructuras anulares pequeñas en los extremos (p. Ej., Betacaroteno). Si bien existe una variación en la familia de la clorofila, todas imparten un color verde a la hoja. Los carotenoides, por otro lado, tienen una gama de colores mucho más amplia, desde amarillos hasta rojos. Tanto las clorofilas como los carotenoides pueden absorber energía luminosa de un rango de energía / longitud de onda particular y entrar en un estado de excitación inestable. Cuando la molécula vuelve a su estado fundamental, la energía se emitirá en forma de calor o luz en una situación aislada. Sin embargo, dentro del contexto de las matrices de pigmentos (complejo de antenas) en una célula viva, la mayor parte de la energía se envía a otra molécula de pigmento de menor energía por transferencia de resonancia. Como se describe a continuación, solo un par de moléculas de clorofila en un complejo de antena en realidad expulsará un electrón cuando caiga de un estado excitado al estado fundamental. Es la transferencia de ese electrón de alta energía lo que impulsa la fotosíntesis.

Figura ( PageIndex <1> ). Clorofila (arriba) y & beta-caroteno (abajo)

Las moléculas de clorofila están formadas por una cola de hidrocarburo fitol que ancla la molécula dentro de una membrana y un anillo de porfirina portador de electrones que contiene un catión de magnesio. Tenga en cuenta que la cola de fitol no está dibujada a escala con el anillo de porfirina en la Figura ( PageIndex <1> ). Entre los diferentes tipos de clorofila, los grupos químicos unidos al anillo pueden variar, y esta variación es responsable de las diferencias en el espectro de absorción de un tipo de clorofila a otro. Por ejemplo, la clorofila a tiene picos de absorción a aproximadamente 430 y 662 nm, mientras que la clorofila b tiene picos a 453 y 642 nm. La diferencia entre los dos es pequeña: en C7, hay un & mdashCH3 grupo sobre clorofila a, pero grupo a & mdashCHO sobre clorofila b. Actualmente, existen cinco clorofilas conocidas: la clorofila a se encuentra en todos los organismos fotosintéticos, la clorofila b solo se encuentra en las plantas, las clorofilas c1 y c2 se encuentran en las algas fotosintéticas y la clorofila d se encuentra en las cianobacterias.

Los carotenoides tienen dos funciones. Como se indica en el texto principal de la izquierda, pueden participar en la transferencia de energía hacia las clorofilas del centro de reacción. También son una molécula protectora que previene la autooxidación del centro de reacción. Los carotenoides pueden ser captadores de radicales libres altamente eficientes debido a la conjugación de estructuras alternas de enlaces simples y dobles de carbono.

La fotosíntesis se puede dividir en dos mecanismos: el reacciones de luz, que utilizan energía luminosa para excitar los electrones de ciertas clorofilas y participan en la cadena de transporte de electrones para generar ATP y NADPH, y el reacciones oscuras, que usan ese ATP y NADPH para fijar el carbono del CO2 en moléculas orgánicas (carbohidratos). Como su nombre lo indica, las reacciones lumínicas requieren energía lumínica para excitar la clorofila y comenzar el transporte de electrones. Las reacciones oscuras, sin embargo, no requieren oscuridad. Son técnicamente independientes de la luz, pero en algunas plantas, las reacciones oscuras funcionan mejor en la luz por razones que se discutirán.

Las reacciones de luz están íntimamente ligadas a la anatomía de la membrana tilacoide, específicamente, la disposición de las moléculas de pigmento que absorben la luz en complejos de antenas, también llamados complejos de captación de luz (a veces abreviado LHC, que no debe confundirse con el Gran Colisionador de Hadrones). Estos pigmentos están retenidos por proteínas en grupos tridimensionales ordenados, de modo que los pigmentos que absorben la luz de mayor energía están hacia la periferia, y las clorofilas de menor absorción de energía están en el centro (Figura ( PageIndex <2> ) ). La luz solar se compone de una amplia gama de longitudes de onda, algunas de las cuales son absorbidas transitoriamente por los pigmentos. Después de que una molécula de pigmento absorbe un fotón, la energía se libera y pasa a un pigmento sintonizado a un nivel de energía ligeramente más bajo (longitud de onda más larga), y desde allí a un pigmento de energía aún más baja, y así sucesivamente hasta que alcanza el centro de reacción. clorofilas. De esta manera, la energía de una amplia gama de longitudes de onda / energías de luz puede contribuir a la producción de ATP y NADPH por las reacciones de luz. El complejo de antenas es crucial porque permite el uso de una mayor parte del espectro de luz solar. Y, como una matriz tridimensional muy compacta, los fotones que pasan por una molécula de pigmento pueden golpear a otra en su camino a través de la matriz. Todas estas características se combinan para aumentar la eficiencia del uso de la luz para la fotosíntesis. Las clorofilas del centro de reacción (P680 para el fotosistema II, P700 para el fotosistema I) son las únicas clorofilas que realmente envían electrones excitados a la cadena de transporte de electrones. Las otras clorofilas y pigmentos solo actúan para transferir la energía al centro de reacción.

Figura ( PageIndex <2> ). Las moléculas de pigmento están dispuestas en un complejo de antenas en la membrana tilacoide.

Cuando se excita, la clorofila del centro de reacción del fotosistema II (Figura ( PageIndex <3> )) comienza el proceso de transporte de electrones. Esta clorofila es parte de un complejo proteico que también incluye un complejo generador de oxígeno (OEC) basado en Mn, feofitina y un sitio de acoplamiento para la plastoquinona. Aunque el electrón de clorofila es el excitado por la energía solar, el origen de los electrones para mantener la clorofila repuesta proviene de la división (oxidación) del agua a O2 y 4 H +.

El OEC, o complejo que genera oxígeno (también WOC, complejo oxidante del agua) es una metaloenzima con un grupo catalítico Mn4OXCa, donde X es el número de m-oxo-puentes que conectan los átomos del metal, con los aminoácidos circundantes, especialmente las tirosinas cruciales, también desempeña un papel en la esfera de coordinación del sitio activo. El complejo general sufre una serie de 4 cambios de estado de oxidación a medida que las clorofilas P680 son excitadas por la energía de la luz y transfieren electrones, pero en la actualidad no se sabe cuál es el estado de oxidación exacto de cualquier átomo de Mn dado a través de esta serie de cambios de estado. La reacción crucial es la formación del enlace O-O para formar O2. Hay dos modelos propuestos para este mecanismo. Una es que el enlace O-O se forma cuando el OEC ha alcanzado su estado completamente oxidado, y un oxígeno en un estado de radical m-oxo-puente interactúa con una molécula de agua. El otro mecanismo propuesto es que el enlace O-O se forma antes como un peróxido complejado mantenido por el centro OEC.

Figura ( PageIndex <3> ). Fotosistema II (que alimenta electrones al fotosistema I).

The question of how a cell could generate the energy needed to split water was long a thorny issue because water is an exceptionally stable molecule. The current model suggests that the energy comes from an extremely strong oxidizer in the form of P680 + . After P680 is energized by light, an excited electron has enough energy to break away from the chlorophyll and jumps to pheophytin. Pheophytin becomes Pheo- temporarily, and the charge separation in the complex between P680 + and Pheo - helps to enhance the oxidative power of P680 + . That extraordinarily strong attraction for electrons is what allows the P680 chlorophyll to tear them away from H2O and split the water. In fact, P680 + is one of the strongest biological oxidizers known. Since four electrons must be taken to fully oxidize two water molecules and generate molecular oxygen, four photoexcitation events are needed. While the exact mechanism is still to be elucidated, it appears that the OEC helps to stabilize the water molecule during this process as well as holding onto each electron as it comes off.

Figure (PageIndex<4>). Change in electron energy moving through photosystems II and I. Light energy is needed in both photosystems to boost the electron energy high enough to move to the next electron carrier.

The excited electrons, moving from the OEC to P680 + to pheophytin, next move to the lipid-soluble carrier, plastoquinone. The similarity of the name with the mitochondrial carrier ubiquinone is not a coincidence. They function similarly, and as the plastoquinone takes on the electrons, it also takes on protons from the stromal side of the thylakoid membrane. The PQ moves within the membrane from pheophytin to cytochrome b6F. As the electrons are transferred to cytochrome b6f, the protons are then dropped off on the lumenal side of the membrane, increasing their concentration in the chloroplast lumen, and building a proton gradient to power ATP synthase. Cytochrome b6f passes the electrons on to plastocyanin, an aqueous-phase carrier, which shuttles the electrons to the P700 reaction center chlorophyll of photosystem I. However, after all the transfers, the energy level of the electrons is now fairly low (Figure (PageIndex<4>)) and unable to power the upcoming reactions. Since it is now on a reaction center chlorophyll, the obvious answer is to re-energize it with a bit of sunlight. This raises the electron energy sufficiently to reduce ferredoxin. Now things get a little complicated.

This part of photosynthesis can take one of two directions, the linear pathway, which generates both NADPH and ATP, and the cyclic pathway which mostly generates ATP. Most of the time, the linear pathway is taken, with the electrons on ferredoxin transferred via ferredoxin-NADPH reductase (FNR) onto NADPH. However, sometimes the cell requires significantly more ATP than NADPH, in which case, the electrons from ferredoxin are transferred back to plastoquinone via ferredoxin-plastoquinone reductase. This acts just as described above, and pumps more protons across the membrane to power the ATP synthase. ATP synthesis goes up and NADPH synthesis goes down.

Figure (PageIndex<5>). Photosystem I initiates electron movement through two pathways.

The ATP and NADPH generated by the chloroplast are almost exclusively used by the chloroplast itself (and not distributed to the rest of the cell) to power the dark reactions, which are energetically expensive. In fact, when the light reactions are not running due to darkness, some plant cells have mechanisms to prevent the dark reactions from using the limited resources of cellular, non-chloroplastic, respiration. The simplest method of such limitation is the pH sensitivity of rubisco (ribulose bis-phosphate carboxylase), at least in C3 plants (see below). Rubisco has a very sharp pH optimum at about pH 8.0, so while the light reactions are running and the protons are being pumped, the pH rises to about 8 and rubisco works, but in the dark, the pH drops back to its basal level close to 7.0, inhibiting rubisco activity.


Cellular Respiration…I think I’ve got it!

At my previous workplace, we typically devoted about 2 days to cellular respiration and photosynthesis in our freshman biology classes.

Yes, biologists, you read that correctly. Two days.

Clearly, these topics are much more complex than 2 days worth of material. Are they enough for 3 weeks, though, in a high school biology 1 class?

This is what I’ve been struggling with over the past week and a half. Since I’ve never taught this material in more detail than two days worth, it’s been challenging to recall some of the information I haven’t had to think about since I was in college. Even the textbook we use (Biology: Exploring Life), which I really like, seems a little too detailed over this particular unit.

I think I’ve managed, though, to get it narrowed down to where I want it. Here’s what we covered for cellular respiration (we haven’t finished photosynthesis yet, so more on that later):

  • The overall equation for cellular respiration (and recognizing that the reactants in cellular respiration are the products in photosynthesis, and vice versa)
  • Glycolysis summary
  • Krebs Cycle summary
  • Electron Transport Chain and ATP Synthase summary

Here’s how we summarized each stage:

  • takes place in cytoplasm
  • splits glucose in half, forming 2 pyruvic acid molecules—-these go into the Krebs Cycle
  • also forms 2 NADH (we had to discuss what an electron carrier was, of course)—-these go to the ETC
  • net gain of 2 ATP
  • takes place in matrix of mitochondria
  • “strips off” carbons from the pyruvic acids, which become part of CO2 molecules
  • forms many more electron carriers (NADH and FADH2)—-go to the ETC
  • gain 2 more ATP

  • found on the inner membrane of the mitochondria
  • electron carriers (NADH and FADH2) give up their electrons to the ETC, creating a H+ gradient
  • gradient powers the enzyme ATP Synthase, making 34 ATP
  • oxygen accepts the electrons and hydrogen from the electron carriers, forming H2O

We didn’t name all of the other enzymes involved, and we didn’t really mention acetyl coA (even though it was in the textbook). It’s not perfect, but I think it makes a decent mix between only 2 days of coverage versus college-level detail. We also discussed fermentation (what happens when there is little/no oxygen present), and I stressed the fact that plants, too, do cellular respiration (some students get confused and think that autotrophs do photosynthesis, making glucose, and therefore they don’t need to do respiration–they fail to see that the glucose still needs to be broken down to make ATP).

We also did a little dance with hand motions. I’ll need to get the exact words later.


Electron Transport Chain Steps Explained with Diagram

The electron transport chain is an essential metabolic pathway that produces energy by carrying out a series of redox reactions. This BiologyWise article provides a simple explanation of this pathway.

The electron transport chain is an essential metabolic pathway that produces energy by carrying out a series of redox reactions. This BiologyWise article provides a simple explanation of this pathway.

¿Sabías?

One cycle of the electron transport chain yields about 30 molecules of ATP (Adenosine triphosphate) as compared to the 2 molecules produced each via glycolysis and the citric acid cycle.

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The electron transport chain is made up of a series of spatially separated enzyme complexes that transfer electrons from electron donors to electron receptors via sets of redox reactions. This is also accompanied by a transfer of protons (H + ions) across the membrane. This leads to the development of an electrochemical proton gradient across the membrane that activates the ATP synthase proton pump, thereby, driving the generation of ATP molecules (energy). The cycle ends by the absorption of electrons by oxygen molecules.

In eukaryotic organisms, the electron transport chain is found embedded in the inner membrane of the mitochondria, in bacteria it is found in the cell membrane, and in case of plant cells, it is present in the thylakoid membrane of the chloroplasts.

In chloroplasts, photons from light are used produce the proton gradient whereas, in the mitochondria and bacterial cells, the conversions occurring in the enzyme complexes, generate the proton gradient.

Overview of Electron Transport Chain

This pathway is the most efficient method of producing energy. The initial substrates for this cycle are the end products obtained from other pathways. Pyruvate, obtained from glycolysis, is taken up by the mitochondria, where it is oxidized via the Krebs/citric acid cycle. The substrates required for the pathway are NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), succinate, and molecular oxygen.

NADH acts as the first electron donor, and gets oxidized to NAD + by enzyme complex I, accompanied by the release of a proton out of the matrix. The electron is then transported to complex II, which brings about the conversion of succinate to fumarate. Molecular oxygen (O2) acts as an electron acceptor in complex IV, and gets converted to a water molecule (H2O). Each enzyme complex carries out the transport of electrons accompanied by the release of protons in the intermembrane space.

The accumulation of protons outside the membrane gives rise to a proton gradient. This high concentration of protons initiates the process of chemiosmosis, and activates the ATP synthase complex. Chemiosmosis refers to the generation of an electrical as well as a pH potential across a membrane due to large difference in proton concentrations. The activated ATP synthase utilizes this potential, and acts as a proton pump to restore concentration balance. While pumping the proton back into the matrix, it also conducts the phosphorylation of ADP (Adenosine Diphosphate) to yield ATP molecules.

Enzyme Complexes of Electron Transport Chain

Complex I – NADH-coenzyme Q oxidoreductase
The reduced coenzyme NADH binds to this complex, and functions to reduce coenzyme Q10. This reaction donates electrons, which are then transferred through this complex using FMN (Flavin mononucleotide) and a series of Fe-S (Iron-sulpur) clusters. The transport of these electrons brings about the transfer of protons across the membrane into the intermembrane space.

Complex II – Succinate-Q oxidoreductase
This complex acts on the succinate produced by the citric acid cycle, and converts it to fumarate. This reaction is driven by the reduction and oxidation of FAD (Flavin adenine dinucleotide) along with the help of a series of Fe-S clusters. These reactions also drive the redox reactions of quinone. These sets of reactions help in transporting the electrons to the third enzyme complex.

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Complex III – Q-cytochrome c oxidoreductase
This complex oxidizes ubiquinol and also reduces two molecules of cytochrome-c. The electron is transported via these reactions onto complex IV accompanied by the release of protons.

Complex IV – ytochrome c oxidase
The received electron is received by a molecular oxygen to yield a water molecule. This conversion occurs in the presence of Copper (Cu) ions, and drives the oxidation of the reduced cytochrome-c. Protons are pumped out during the course of this reaction.

ATP Synthase
The protons produced from the initial oxidation of the NADH molecule, and their presence in the intermembrane space gives rise to a potential gradient. It is utilized by this complex to transport the protons back into the matrix. The transport itself also generates energy that is used to achieve phosphorylation of the ADP molecules to form ATP.

Any anomalies or defects in any of the components that constitute the electron transport chain leads to the development of a vast array of developmental, neurological, and physical disorders.

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