Anabolisme autòtrof

Anabolisme (I)» És la via constructiva del metabolisme » ruta de síntesis de molècules complexes a

partir de molècules senzilles » 2 ETAPES:

ANABOLISME AUTÒTROF ANABOLISME HETERÒTROF

- Pas de les mol. orgàniques senzilles a mol. orgàniques complexes (midó, greixos o proteïnes)

- Pas de mol. inorgàniques a orgàniques (H2O, CO2, NO3- a glucosa, glicerina i aa)

2

Fotosíntesi: font energia lluminosa Quimiosintèsi: energia despresa en reaccions d’oxidació de compostos inorgànics

Anabolisme (II)» Fotosíntesi: plantes, algues, cianobacteris, bacteris

fotosintètics » Quimiosíntesi: bacteris quimiosintètics.

» Éssers autòtrofs: No necessiten la matèria orgànica d’altres organismes per viure colonitzar llocs sense vida Es nodreixen de subs. inorganiques (H2O, CO2, NO3-) Possibiliten la vida organismes heteròtrofs (animals, fongs, protozous i bacteris heteròtrofs)

3

• Fotosíntesis: conversió d’energia lluminosa en energia química (queda emmagatzemada en mol. orgàniques)

• Les molècules que capten d’energia lluminosa són els pigments fotosintètics: capten l’energia per activar e- fins transferir-los a altres àtoms

• Per recuperar e- perduts pels pigments:

• Segons tipus àtom que s’incorpori: Fotosíntesi compostos del carboni - fotosíntesi dels glúcids Fotosíntesi compostos nitrogen Fotosíntesi compostos de sofre

2 processos

LA FOTOSÍNTESI

4

Fotosíntesi oxigènica Fotosíntesi anoxigènica o bacteriana

Descompon molècules d’aigua H2O 2H+ + 2e- + O2

Descompon molècules de l’àcid sulfúric H2S 2H+ + 2e- + S

Pròpia de les plantes, algues, i cianobacteris

Pròpia dels bacteria porprats i verds del sofre (aigües sulfatades)

Estructures fotosintetizadores» Plantes i algues: als cloroplast » Cloroplasts: orgànuls discoïdals d’uns

4-7µm de diàmetre i de 2-4 µm d’alçada. » Presenten membrana externa i interna » Liquid intern: estroma, que conté uns

sàculs anomenats TILACOIDES » Membranes dels tilacoides: complexos

proteics CLOROFIL·LA

FOTOSISTEMES

5

Cloroplasts

6

» Tilacoides: (es troben apilats) (formen làmines)

DE GRANA

D’ESTOMA O LAMEL·LA

Els cloroplasts s’enriqueixen de clorofil·la

quan s’estimulen per la llum

En una cèl·lula: 30-40 cloroplasts

*Els cianobacteris no tenen cloroplast però tenen tilacoides al citoplasma

Bacteris fotosíntesi anoxigènica tenen orgànuls

de parets proteiques: CLOROSOMES

(bacterioclorofil·la)7

Els pigments fotosintètics

• Clorofil·les: a, b, c, d verdes • Terpens: carotens i xantofil·les vermelles i grogues • Lipoproteïnes: ficocianina i ficoeritrina blau-verd i vermell

Clorofil·la A: absorbeix llum de longitud d’ona pròxima a 683nm Clorofil·la B: absorbeix a 660nm

Pigments fotosintètics clorofil·les Carotens i xantofil·lesPlantes i algues verdes A i B Carotens i xantofil·lesAlgues brunes, dinoflagel·lats i diatomees

A i C Carotens i xantofil·les

Algues vermelles A i D ficocianina i ficoeritrinaCianofícies A ficocianinaBacteris fotosintètics Bacterioclorofil·la

8

» Són lípids que estàn units a proteïnes que són presents en les membranes dels tiladoides

ESTRUCTURA DE LA CLOROFIL·LA (A i B)

9

- Anell porfirínic amb àtom Mg al centre - Associat a un metanol i a un fitl - Molècula amfipàtica - Porfirina: pol hidròfil - Fitol: pol hidròfob

» Els pigments fotosintètics: enllaços covalents senzills alternats amb enllaços covalents dobles hi hagi e- lliures

» E- lliures: poden moure’s per tot l’anell i poden fer variar els enllaços ESTAT DE RESSONÀNCIA

» Aquests e- necessiten poca E per ascendir als nivells superiors (exitació) en tenen prou amb E lluminosa per fer-ho

- Com que és una quantitat d’E ínfima tenen molta facilita per allibrrar-la quan descendeixen a l’orbital inicial (relaxació) - Aquesta és la base de l’aprofitament de la llum per iniciar reaccions químiques

10

Color Rango de longitud de onda (nm)

Energía (KJ/mol)

Ultravioleta

<400 471

Violeta 400-425 292

Azul 425-490 260

Verde 490-560 230

Amarillo 560-585 210

Anaranjado

585-640 193

Rojo 640-740 176

Infrarrojo

>740 85

11

Espectre d’absorció dels principals pigments fotosintètics. Cada pigment té un color propi, però aquest correspon a les longituds d’ona que no absorbeix. Així, les clorofil·les absorbeixen les longituds d’ona en la banda dels vermells i dels blaus. Per això les veiem verdes: és la llum que reflecteixen.

Els fotosistemes

Amb pigments de tots tipus que capten energia lluminosa, s’exciten (energia d’exitació) i transmeten l’energia als pigments del costat, fins arribar al pigment del centre de reacció.

☞ Constituït per proteïnes transmembranals que constitueixen 2 subunitats:

1. ANTENA (Light Harvesting Complex LHC)

12

2. CENTRE DE REACCIÓ (Core Complex CC)

• Conté 2 mol. clorofil·la A PIGMENT DIANA • Pigment diana: rep energia captada pels pigments de l’antena: els transfereix a

una altra molècula: PRIMER ACCEPTADOR D’e- (present al centre de reacció) i aquest a una mol. externa.

• Pigment DIANA inicia una reacció de transferència d’e- (reacció REDOX) • Reposa els e- en una DONADOR d’e-

L’aparell fotosintètic dels vegetals es troba als cloroplast i està constituit per 4 tipus d’estructures: fotosistema I (PSI), fotosistema II (PSII), cadena transportadora d’e-, enzims ATP-sintetases)

13

1. FOTOSISTEMA I (PSI) - Capta la llum de longitud d’ona menor o igual a 700nm - Plantes superiors: l’antena conté una gran proporció a clorofil·la A i una petita porció de clorofil·la B. - En el centre de la reacció, la molècula diana és la clorofi·la A, que absorbeix a 700nm: clorofil·la P700 - Acceptador primari d’e-: Acceptador A0 - Donador primari: plastocianina (PC) - Abunden més als tilacoides d’estroma, és a dir, els no amuntegats. - Incapaç de trencar la molècula d’aigua per aconseguir electrons.

2. FOTOSISTEMA II (PSII) - Capta la llum amb longitud d’ona menor o igual a 680nm - En les plantes superiors, l’antela conté clorofil·la A, clorofil·la B (en + proporció al PSI) i xantofil·les. - En el centre de reacció la molècula diana és a clorofil·la que absorbeix a 680nm: clorofil·la 680 - L’acceptador primari és la feofitina (Pheo) - El donador primari s’anomena donador Z - Abunda més als tiladoides amuntegats que formen la grana - Capaç de trencar les molècules d’aigua per obtenir els electrons necessaris per resposar els que ha perdur el pogment diana

14

Fases de la FOTOSÍNTESI

• Reacció global fotosíntesis d’una mol. de glucosa: 6CO2 + 12 H2O + E lluminosa → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

• Fotosíntesi: procès complex que presenta 2 fases: ➠ FASE LLUMINOSA (fotoquímica): té lloc la captació de l’E lluminosa - Pot presentar-se en dues modalitats:

➠ FASE FOSCA (biosintètica): es sintetitza MO a partir de M.Inorg. - Fa referència al fet que no necessita llum, però es duu a terme tot el dia - La fase fosca dels compostos del C: cicle de Calvin

15

1. Transport ACÍCLIC d’e- 2. Transport CÍCLIC d’e-

16

Fase llumínica

Fase fosca17

1. Fase llumínica no cíclica (I)

Ph feofitina, Fd ferredoxina, FNR NADP+reductasa

pH=5

pH=8

1. Fotòlisi de l’aigua

2. Fotofosforilació

3. Fotoreducció de NADP

18

1. Fase llumínica no cíclica (II)1. Fotòlisi de l’aigua

H2O → 1/2 O2 + 2H+ + 2e-

- Arribada de fotons al fotosistema II → excitació del pigment diana (clorofil·la P680), que perd tants e- com fotos ha absorbit. - Els e- passen al 1r acceptor d’e- - Quan surten del fotosistema passen a la plastoquinona (PQ) - Per reposer aquests e- → HIDRÒLISI (fotohidròlisi de l’aigua) - Es duu a term a la cara internal de la membrana dels tilacoides - Els dos H+ s’acumulen a l’interior del tilacoide

19

2. Fotofosforilació de l’ADP ADP + Pi → ATP + H2O - La plastoquinona (PQ), can rep els 2e- s’active i capita dos H+ de l’estroma. - Transfereix els e- al complex de citocroms b-f i introdueix els 2H+ al tilacoide creen diferència de potencial electroquímic las 2 costat de la membrana (interior tilacoide, pH=5; a l’estroma, pH= 8) - Diferència potencial es real senos hipòtesi QUIMIOOSMÒTICA de Mitchell ⇒ sortida H+ ➠ enzims ATP-sintetases ➡ síntesis ATP que s’acumula a l’estroma Fotofosforilació de l’ADP. 3. Fotoreducció del NADP+ NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH + H+ - Incideixen 2 fotos al PSI → la clorofil·la P700 perd 2e- que passen al primer acceptador d’electons → desprès a la ferredoxina (Fd). -Els e- perduts són reposats per la plastocianina (PC) que rep del complex citocrom b-f.

20

- La Fd passa els 2e- a l’enzim NADP-reductasa, que s’activa, capta el 2H+ de l’estroma + 2e- → els transfereix a un ió NADP+ de l’estroma que es redueix a NADPH + H+ → fotoreducció del NADP+

- Balanç energètic: Per cada NADP+ que es redueix es necessiten 2 H+ (fotòlisi d’1 mol. d’H2O) = 2 electrons (cadascun d’ells necessita l’imapcte de 2 fotons ) = total 4 fotons. 21

» Protons introduits al tilacoide: 4 (2 fotòlisi H2O + 2 P Q reduïda

» Per cada 3H+ que surten per l’ATP-sintetasa → 1 ATP

» Nº de mol d’ATP sintetitzades: 1,33 (4/3 = 1,33) per cada mol. H2O hidrolitzada

22

Ph feofitina, Q plastoquinona, cyt citocroms, PC plastocianina, A0 primer acceptor d’e-del fot I, Fd ferredoxina

Fase llumínica no cíclica

23

» Només intervé el PSI » Es genera un fluc cíclic d’e- que a cada volta → síntesi d’ATP

» No fotòlisi de l’H2O → no reducción del NADP+

» Soluciona el dèficit d’ATP obtingut en la fase acíclica per tal de dur a terme la fase fosca posterior.

» Per cada NADPH + H+ consumit → 1,5 ATP

2. Fase llumínica cíclica (I)

24

- Es produeix quan s’il·lumina amb llum de longitud d’ona superior a 680nm (raig roig llunyà)

- Fotons incideixen sobre PSI → la clorofil·la P700 allibera els e- que arriben a la ferredoxina (Fd)

- La Fd els passarà al citocrom b6, i aquest a la plastoquinona (PQ), que capta dos e- i es redueix a PQH2.

- La PQH2 cedeix els 2e- al citocrom f, i introdueix els 2H+ a l’interior del tilacoide.

- Aquests quan surten a través de les ATP-sintetases → síntesis ATP.

- La plastocianina retorna els e- a la clorofil·la P700.

2. Fase llumínica cíclica (II)

25

26

NADP

NADP

27

Fase fosca28

» S’utilitza l’E d’ATP i el NADPH que s’han obtingut en la fase lluminosa → sintetitzar MO a partir de subs. inorgàniques.

» Font carboni: CO2 » Font nitrogen: NO3- » Font sofre: SO42-

» Fase fosca: no necessita llum, ni clorofil·la. » Es produeix durant el dia perquè necessita

l’ATP i el NADPH produits en fase lluminosa » Procès a l’ESTOMA dels cloroplasts

3. Fase fosca (I)

29

Síntesi compostos de C - cicle de Calvin1. Fixació CO2: entra a l’estroma i s’uneix a la pentosa ribulosa-1,5-

difosfat (gràcies a enzim RUBISCO) → compost inestable de 6C que es dissocia en 2 mol. àcid 3-fosfoglicèric (APG) (mol. de 3C; plantes que segueixen aquesta via: plantes del C3)

2. Reducció del CO2 fixat: consum de ATP i NADPH que s’ha obtingut de fase lluminosa → APG es redueix a gliceraldehid 3-fosfat (G3P). Pot seguir 3 vies: 1. Regeneració de la ribulosa-1,5-difosfat: procès en que es

succeeixen compostos de 4,5,7C (Cicle de les pentoses fosfat), que permet passat de pentoses a hexoses i viceversa

2. Síntesi de midó, acids grassos i aa: dins dels cloroplasts 3. Síntesi glucosa i fructosa: fora del cloroplast. Semblant a la

glicòlisi però en sentit invers. Glucisa i fructosa s’ajunten formant sacarpsa, que surt de la cèl·lula i passa a constituit la saba elaborada de les plantes.

30

31

Rubisco:ribulosa difosfat carboxilasa oxidasa

Plantes C3

En l’estroma es converteix en midó, ac. grassos o aa En el citosol fa glucosa i fructosa= sacarosa que es transporta per la saba

Per cada CO2 incorporat es gasten 2 NADPH I 3 ATP

Fase fosca

32

Un altre Cicle de Calvin

33

34

BALANÇ DE LA FOTOSÍNTESI

6CO2+ 12H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

- Són necessaris 6 CO2 i 12 H2O per iniciar el procés - L’H2O allibera els 12 oxigens a l’atmosfera en forma de 6O2 durant la

fase lluminosa i aporta els 12 H que té la glucosa i el 12 H necessàris per desprès unir-se a 6 O del CO2 i formar les 6 mol. d’H2O.

- Intervenen 24 H → es produeixen 24H+ i 24 e- → com que cada e- necessita l’impacte de 2 fotons → 48 fotons

- Cicle de CALVIN: per cada CO2 → 2NADPH i 3ATP → Per 1 glucosa → 12 NADPH i 18ATP

- Fase acíclica: s’obtenen 1,33 ATP per cada H2O hidrolitzat i es gasten 12 H2O → 15,96 ATP (1,33 x 12). La resta fins als 18 ARP procedeixen de la fase cíclica.

6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP → C6H12O6P + 12 NADP+ + 18 ADP + 17 Pi

35

Fotosíntesi compostos nitrogenats

» Es duu a terme a partir dels ions nitrat dissolts en el sòl. » S’efectua en 3 etapes i gràcies a l’ATP obtingut fase lluminosa

1. Ions nitrat (NO3-) reduïts a nitrit (NO2-) en el citosol per l’enzim nitrat reductasa, amb despesa d’1 NADH.

2. Ions nitrit (NO2-) reduïts a amoníac (NH3) en els cloroplasts per l’enzim nitri reductasa, amb e- aportats per la ferrodoxina (Phe).

3. L’amoníac (NH3) obtingut és tòxic per la planta → captat per l’àcid α-cetoglutàric → l’àcid glutàmic → Passa a formar part de la MO de la cèl·lula.

Aquesta reacció es catalitza per l’enzim glutamat sintetasa → necessita consum d’1 ATP. A partir de l’àcid glutàmic → àtoms nitrogen passen en forma de grup amino a altres cetoàcids i donar llocs a altres aminoàcids

» A partir del NADPH i de l’ATP de la fase lluminosa → es redueix l’ió sulfat (SO42-) a l’ió sulfit (SO32-) → a sulfur d’hidrogen (H2S) amb els e- aportats per la Phe.

» H2S es combina amb la acetilserina → dóna lloc a l’aa cisteïna → passa a formar part de la MO cel·lular.

Fotosíntesi compostos orgànics del SOFRE

» Fotorespiració: procés que té lloc quan l’ambient és càlid i sec → estomes de les fulles es tanquen per evitar pèrdua d’H2O → el CO2 no pot entrar i la fotòlisi de l’aigua segueix fent O2 → O2 produït assoleix grans concentracions.

» Enzim ribulosa-difosfat-carboxilasa-oxidasa (RUBISCO) actua amb funció oxidasa i destrueix la ribulosa-1,5-difosfat (5C) que es necessita per captar el CO2 → fotorespiració perillosa → reducció al 50% de la capacitat fotosintètica de la planta → La planta consumeix O2 i despren CO2.

» Plantes tropicals: procés diferent per captar CO2 → ruta de HATCH-SLACK o de les plantes del C4: » 2 tipus de cloroplasts:

Cèl·lules internes: limiten amb els vasos conductors de les fulles

LA FOTORESPIRACIÓ - Ruta de Hatch - Slack

Cèl·lules del parènquima clorofíl·lic perifèric (mesòfil): mol. acceptadora del CO2 és l’àcid fosfoenolpirúvic (PEP) i l’enzim és la fosfoenol-piruvat-carboxilasa.

- A partir del PEP i del CO2 → àcid oxalacètic (4C) - Àcid oxalacètic → àcid màltic → a través dels plasmodermes

passa als cloroplasts de les cèl. internes. - Als cloroplasts s’allibera el CO2, que s’incorpora al cicle de

Calvin.

40*Plasmodermes: unions cel·lulars que travessen la paret cel·lular i mantenen connectades les cèl·lules vegetals

Factors que influeixen en la fotosíntesi

1. LA TEMPERATURA: cada espécie està adaptada a viure en un interval de Tº. Dins aquest interval: eficàcia del procés ↑ amb la Tº per a la major mobilitat de les mol. en la fase fosca.

- Per sobre el màx de Tº els estomes es comencen a tancar per no perdre aigua.

- Augmenta l’O2 i disminueix el CO2.

- Enzims es desnaturalitzen amb ↑ Tº

2. CONCENTRACIÓ DE CO2: intensitat llum ↑ i ct → rendiment fotosintètic ↑ en relació directa amb la [CO2] a l’aire fins a un valor determinat a partir del qual el rendiment s’estabilitza (enzims ocupats)

3. CONCENTRACIÓ O2: Com més concentració d’O2 a l’aire → menys rendiment fotosintètic (a causa dels processos de fotorespiració) + O2 la RUSBISCO fa fotorespiració

4. INTENSITAT LLUMINOSA: - Cada espècie està adaptada a viure dins un interval d’intensitat de llum (espècies penombra, espècies fotòfiles) - Dins a cada interval: com més ↑ intensitat → ↑ rendiment (fins a superar determinats límits) → FOTOOXIDACIÓ irreversible dels pigments. - Plantes C4 (climes secs i càlids) presenten + rendiment que les plantes C3 per una = intensitat lluminosa.

5. ESCASSETAT D’AIGUA: - Escassetat aigua al sòl i de vapor d’aigua → ↓ rendiment fotosintètic. - Davant manca d’aigua es tanquen els estomes per evitar la dessecació de la planta → dificulta entrada de CO2 - ↑ concentració d’O2 intern → fotorespiració - En aquestes condicions plantes C4 són + eficaces que les C3

Cactus i orquídies: plantes CAM

• De nit obren els estomes i capten CO2 i el converteixen en malat per la via de Hatch-Slack el qual acumulen en vacúols on el pH baixa considerablement.

• De dia tanquen els estomes per no perdre aigua. Surt el malat dels vacúols i acaba el cicle donant CO2 que es captat per la rubisco per a fer glúcids.

• Algunes plantes CAM superadaptades a la calor tenen els estomes tancat de dia I de nit per evitar les pèrdues ‘aigua I reciclen tot els CO2 de la respiració per a fer la fotosíntesi. Es clar, no poden créixer però si aguantar llargues sequeres.

45*Plantes CAM: absorbeixen el CO2 durant la nit i fan la fotosíntesi de dia

La quimiosíntesi» Síntesi de l’ATP a partir de l’E que es desprèn

de les reaccions d’oxidació de subs. inorgàniques → Éssers quimioautòtrofs o quimiolitòtrofs.

» Són bacteris » Compostos reduïts (NH3, H2S) procedents de

la descomposició MO → s’oxiden i es transformen en NO3-, SO42- → seran absorbides per les plantes → cicles biogeoquímics → possibiliten vida al planeta.

Fases quimiosíntesi1. 1a fase: • Reacció d’oxidació d’alguna substància inorgànica

present en el medi amb la finalitat d’obtenir ATP (fosforlilació de l’ADP en la cadena respiratòria).

• Part de l’ATP → s’utilitza per provocar transport invers d’electrons en la mateixa cadena per obtenir NADH + H+

A red. + O2 A ox + ATP

2. 2a fase • Amb part de l’ATP obtingut a la fase 1 i el NADH+H+

obtingut a la fase 2, fer funcionar el cicle de Calvin i fabricar matèria orgànica a partir de CO2 (fase fosca)

Fases quimiosíntesi

Tipus bacteris quimiosintètics

1. B. incolors del sofre: • Oxiden sofre. • Necessiten oxigen per a l’oxidació. • Transformació del H2S procedent de la descomposicó de la

MO (aigües residuals) • Viuen en aigües riques en sulfur d’hidrogen (fonts termals

associades a magmatisme) o en les brànquies d’alguns invertebrats marins que viuen en ecosistemes sense llum en brolladors submarins d’aigües sulfuroses.

H2S + ½ O2 S + H2O + AT 2S + 2H2O + 3 O2 2 H2SO4 + ATP

2. Bacteris del nitrogen • Oxida compostos reduïts de nitrogen • Oxiden l’amoníac NH3 procedent descomposició

cadàvers animals, de defecacions i restes vegetals → el transformen en nitrats (NO3-) → assimilats per les plantes

1. B. nitrosificants: NH3 en nitrits (Nitrosomonas) 2 NH3 + 3 O2 2 HNO2 + 2 H2O + ATP

2. B. nitrificants: nitrits en nitrats (Nitrobacter) 2 HNO2 + O2 2 HNO3 + ATP

Tipus bacteris quimiosintètics

3. Bacteris del ferro • Oxiden compostos ferrosos (Fe2+) a fèrrics (Fe3+) • Transformen els dipòsits minerals de carbonats de

ferro en jaciments d’òxid de ferro. 2 FeCO3 + 3 H2O+ ½ O2 2 Fe(OH)3 + 2 CO2 + ATP

• En medis àcids • Donen a l’aigua un sabor desagradable i la seva

presència afavoreix la possibilitat de proliferació de bacteris del sofre (olor d’ous podrits)

• Ex: Thiobacillus ferrooxidans, Gallionella ferruginea

Tipus bacteris quimiosintètics

4. Bacteris de l’hidrogen • Quimioautòtrofs facultatius (utilització de

l’hidrogen molecular) H2 + 1/2 O2 → H2O + ATP • Poden fer servir diferents substàncies com

a font de carboni i d’energia. • Bacteris: presenten 1 enzim hidrogenasa,

alguns 2 enzims hidrogenases. • Ex: Ralstonia eutropha, Acivorax facilis

Tipus bacteris quimiosintètics

Organismes fixadors de nitrogen

» Bacteris i cianobacteris que fixen nitrogen atomosfèric

» Complex enzimàtic nitrogenasa → 1 enzim amb àtoms de Fe (Fep) i una altre amb àtoms de Fe i Molibdè (MoFep)

» Font d’electrons: NADH » Electrons es transfereixen a la ferredoxina i aquesta

els transfereix a la nitrogenasa » 6 electrons necessàris es van cedint de 2 en 2 » L’últim pas necessita ATP » Ex: Azotobacter, Clostridium, Rhizobium.