3. Transformación de materia y energía.

¿Cómo obtienen la energía los seres vivos?

Introducción. Todos los seres vivos requieren energía para efectuar sus procesos biológicos. La misma alimentación requiere energía para levarse a cabo. El metabolismo es todo aquello que requieren los seres vivos para efectuar transformaciones en sus necesidades de abastecimiento de nutrientes, funciones como el movimiento, la bioluminiscencia, el movimiento de sustancias de y desde  la membrana, requieren energía. Los organismos autótrofos elaboran su propio alimento, mientras que los heterótrofos lo toman alimentándose de otros.  La fotosíntesis como parte del metabolismo constructor. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual se elaboran alimentos propios o para otros seres vivos, con la finalidad de sostener la vida en el planeta. La fotosíntesis tiene  como objetivo principal el metabolismo anabólico en la que las sustancias simples se transforman en otras más complejas.  ¿Qué requieren las plantas para fabricar alimentos? Lo más básico son 3 cosas: Bióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y luz solar (energía). Y el resultado global, es la producción de azúcares entre ellas glucosa. Como proceso adicional encontramos a la producción de oxígeno que sostiene toda la vida aerobia del planeta. ¿Porqué las plantas sostienen a todas las cadenas alimenticias? Las plantas; al igual que las algas y las cianobacterias, son organismos autótrofos que por adaptación al medio desarrollaron su  propio alimento. Dentro de otro proceso de adaptación todos los seres vivos se fueron alimentando los unos de los otros. Y tal como acabamos de ver, todos los seres vivos tienen un tipo de nutrición muy particular. Los vegetales elaboran su propio alimento, los herbívoros como consumen vegetales y son los primeros que los consumen se llaman consumidores primarios. Los carnívoros que se comen a los consumidores primarios se les llama consumidores secundarios. Y aquellos que se comen a éstos últimos se les llama consumidores terciarios. Por último, los consumidores  y productores al morir, dejan sus restos para los carroñeros, pero también para los descomponedores que degradan materia muerta. Ejemplos de estos últimos están las bacterias y los hongos. Ejemplos de los carroñeros tenemos a la hienas, los buitres  y el dragón de Komodo.  

¿Cómo elaboran su alimento las plantas y otros organismos autótrofos? Tal como mencionamos antes, las plantas elaboran entre otros azúcares, la glucosa para poder sobrevivir. La glucosa es una azúcar de 6 carbonos, y sabemos que la única fuente de carbono que obtiene del medio, es el dióxido de carbono (CO2). El dióxido de carbono entra al órgano productor de azúcares; el tallo o la hoja, por los estomas. Hay gran abundancia de estomas en la cara que mira hacia abajo de la hoja llamada envés. Es por los estomas donde entra el dióxido de carbono y sale el oxígeno. El agua a su vez, entra por las raíces y se transporta por un sistema de tubos del tallo hacia los diferentes órganos de la planta. Por último, la fuente de energía de la fotosíntesis es la luz.  Existen dos etapas de la fotosíntesis: la fase luminosa y la fase oscura. Durante la fase luminosa, ahora referida como fase dependiente de la luz o reacción de Hill, las partículas de luz; llamadas fotones, excitan a la clorofila en particular a los complejos antena del cloroplasto. La excitación de la clorofila descompone el agua en protones, oxígeno y electrones. El oxígeno es un desecho para la planta, pero útil para los heterótrofos. Recuerda que durante la respiración; un proceso distinto, los seres vivos  descomponen las moléculas complejas en otras más simples y energía. Durante la fase luminosa,que ocurre en la membrana interna tilacoidal, los electrones se van pasando por un grupo de moléculas que  los van transportando. Algunos continúan el ciclo y otros pasan a moléculas intermediarias como el NADP+ y el ADP, para formar NADPH y ATP respectivamente. La reacción de Hill, también es útil para que se formen moléculas estables durante la fase oscura. La fase oscura, llamada también ciclo de Calvin-Benson, ocurre en el espacio entre la membrana externa y la interna del tilacoide llamada estroma. En esta fase, los NADPH y ATP se utilizan para producir azúcares,  sirviendo como fuente de carbono el CO2 y moléculas simples que se encuentran de manera natural en el estroma del tilacoide. A la fase oscura; a la que también se le llama fase independiente de la luz, es una serie de reacciones bioquímicas en las que los intermediarios están ciclando, extrayéndose como productos la glucosa que al entrar en otros ciclos forma carbohidratos mas complejos como el almidón o la celulosa. Entonces la sabia bruta; que es el agua y los minerales que circulan por la planta, durante la fase independiente de la luz, se transforma en sabia elaborada en la que se forman azúcares.  Mismos que serán la base de la cadena alimenticia o simplemente para el sostenimiento de la vida de la misma planta. A continuación, te presento un esquema donde se observa la localización de las estructuras y procesos que ocurren en las plantas:

La respiración celular.

Los organismos para sobrevivir requerimos del metabolismo catabólico.  En general todos los seres vivos utilizamos energía proveniente de los alimentos. Todos nos alimentamos. Requerimos  una fuente  carbono, hidrógeno,  oxígeno, nitrógeno y azufre como fuente de bloques de construcción para la formación de compuestos orgánicos. La respiración es, el proceso mediante el cual se obtiene energía de los alimentos mediante el uso del oxígeno. Es el proceso complementario a la fotosíntesis, durante la fotosíntesis se obtienen azúcares con la colaboración de una fuente de carbono inorgánico; que es el dióxido de carbono (CO2). En cambio durante la respiración celular los alimentos se transforman en glucosa para finalmente transformarse en ATP que es la fuente de energía química de todos los seres vivos.  La respiración celular puede ser: aerobia o anaerobia. Durante la respiración aerobia las reacciones químicas dependen del oxígeno para oxidar los almidones de la dieta y convertirlos en energía necesaria para funciones tales como la bioluminiscencia, el movimiento muscular, la transmisión de impulsos neuronales, el transporte de sustancias al interior celular sólo por mencionar algunas. Prácticamente todas las formas de vida a excepción de los organismos quimio-autótrofos utilizan la energía contenida en los alimentos para que en última instancia se produzca energía almacenada en los enlaces fosfato del ATP. La respiración celular incluye: GLUCÓLISIS, CICLO DE KREBS, CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. Todos ellos dependen cada uno entre si. A la dependencia de los 4 diferentes procesos se les llama acoplamiento. Estos procesos son acoplados. El objetivo de la glucólisis: Procesar la glucosa para formar un intermediario de 3 carbonos; el piruvato. Obtener dos moléculas de la coenzima NADH que sirven de donadores de electrones para otras fases de la respiración como el ciclo de Krebs y obtener energía metabólica, en este caso solamente 2 ATP´s. La fórmula general de la respiración es la siguiente: C6H12O6 + 6 02 + 2 NAD+ + 38 ADP= 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP Etapas de la glucólisis. La glucólisis es la primera parte de la utilización de la glucosa para obtener energía, proceso en el cual se produce un poco de ATP y ácido pirúvico (también llamado piruvato). El piruvato en un producto más pequeño, puesto que posee 3 carbonos en lugar de 6 -¡la glucosa posee 6 carbonos! La glucólisis cumple con los requerimientos energéticos de organismos sencillos como las bacterias. La glucólisis es el proceso primario de obtención de energía a partir de la glucosa independientemente de si tiene cantidades abundantes de oxígeno o si no. La glucólisis ocurre en el citoplasma. Posterior a la glucólisis en condiciones de poseer poco o nada de oxígeno se procede al proceso denominado fermentación y las particularidades del tipo de fermentación dependen del tipo de bacteria que realiza la fermentación. Los productos de la glucólisis son: 2 ATP, 2 piruvatos y 2 NADH La fermentación: utilización del piruvato en presencia de poco oxígeno. La fermentación puede ser alcohólica, láctica, butírica, acética, propiónica, metánica, malo-acética y pútrida según la bacteria que la realice y el tipo de producto que se obtenga. Se presenta tanto en arqueas, -que son los organismos más antiguos, eubacterias, levaduras, y en células musculares en condiciones de alta demanda de oxígeno y poca disposición de él. En la fermentación láctica el piruvato que se produce en la glucólisis, se transforma en ácido láctico que producirá como resultado sólo 2 ATP´s. En la fermentación alcohólica se produce etanol a partir del ácido pirúvico obtenido en la glucolisis. En las células musculares de eucariotas en condiciones de fatiga, se produce además de ácido láctico, acetil coenzima A que es el precursor del ciclo de Krebs. Procesos para la utilización de piruvato en presencia de oxígeno: el ciclo de Krebs. Existen tres etapas en el ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxilicos. La primera es la conversión de ácido pirúvico en ácido cítrico por incorporación de carbonos de éste primero mediante una coenzima llamada coenzima A, para obtener acetil Coenzima A. Con la formación de éste último compuesto se libera dióxido de carbono y los siguientes compuestos producen coenzimas llamadas NADH –Dinucleótido de nicotinamida y adenida reducido. Los principales productos del ciclo de Krebs son: 2 ATP, 8 NADH,  2 FADH2 y   El ciclo de Krebs, ocurre en la matriz mitocondrial. La cadena respiratoria cuenta con bombas de protones que sintetizan la mayoría del ATP que se produce en las células eucariotas. La cadena respiratoria o cadena transportadora de electrones mueve los protones (hidrógenos con carga positiva) y los electrones a lo largo de la membrana interna mitocondrial, para finalmente formar un gradiente de protones en el espacio intermembranal. En el último proceso de la cadena respiratoria, llamado fosforilación oxidativa, se produce la mayor cantidad de ATP del proceso: 34 ATP´s. A su vez se producen 2 FADH2 que serán también aceptores de electrones en los procesos redox de las moléculas del catabolismo celular.       .