Revisión del 21:53 7 may 2019

PRIMERA UNIDAD: ¿Como los procesos metabólicos energéticos contribuyen a la conservación de los sistemas biológicos?

Tema 1. Bases moleculares del metabolismo.

Tema II. Procesos metabólicos de obtención y transformación de materia y energía.

• Tema II. Nutrición heterótrofa y autótrofa.

Para poder entender los procesos metabolicos es necesario primero establecer ¿qué es la vida?, aunque esto resulta un tanto difícil. Podemos encontrar diversas definiciones y, la más común se refiere a que los seres vivos; nacen, crecen, se reproducen y mueren, pero lejos de aportarnos un concepto, solo nos describe algunas de las muchas caracteristicas de los seres vivos y por lo tanto, no resulta útil.

Una caracteística común a todos los seres vivos es que poseemos un material genético que contien la información necesaria para mantenerlos con vida.

El concepto de sistema vivo, se comienza a establecer, paradojicamente con el físico Erwin Schödinger en su libro “What is life”. En donde hace notar primero, que la vida resiste la tendencia universal a la descomposición, que se se refiere a la segunda ley de la termodinámica, la cual establece que la entropia (grado de desorden molecular de un sistema) del universo tiende a incrementarse en el tiempo y segundo; que esa capacidad de resistencia al desorden reside en los genes. Por lo tanto, es de esperarse una gran diversidad de genomas que pueden existir en ambientes diferentes, o, en condiciones diferentes en un mismo ambiente, por eso podemos encontra una gran biodiversidad en el planeta. Pero ¿Qué hace que un sistema vivo esté vivo? Su capacidad de conseguir materia y energía.

Todas la células obtienen su energía de un solo tipo de reacción química conocida como reacción redox -oxidación-reducción- que es la transferencia de uno o más electrones de un donante a un receptor. Cuando una sustancia recibe electrones, se dice que se reduce, mientras que la donadora de electrones de oxida. Como cuando el hierro reacciona con el oxígeno: se transfieren electrones del hierro al oxigeno que se reduce y el hierro se oxida. En la respiración aerobia o en la combustión, el oxigeno se reduce a agua, ya que cada átomo de oxígeno capta dos electrones que forman O2- más dos protones (H+) y se forma agua y se libera energía en forma de calor. Debido a que generalmente electrones y protones suelen estar unidos, muchas veces se interpreta la reducción como la transferencia de un átomo de hidrogeno, pero en realidad son los electrones los que son transferidos dentro de una cadena trasportadora de electrones antes de llegar a su destino final, como cuando fluye la energía electrica por un cable.

La nutrición implica la adquisición y transformación de la materia y energía que le permite a todo ser vivo mantenerse con vida.

Todo ser vivo mientras lo esté, presentará un estado de homeostasis (homeo = igual y stasis = estado) que se puede definir como el estado fisiológico en el cual las condiciones fisicoquímicas del medio interno de un sistema viviente se mantienen dentro de un rango de tolerancia, lo que significa que debe existir una regulación de los procesos metabólicos que permiten mantenerlos con vida. Para mantener dicha regulación se requiere de materia y energía, y los seres vivos se pueden clasificar en dos categorías de acuerdo a la manera en que la adquieren.

Aquellos que pueden obtener materia y energía química aprovechable a partir de fuentes inorgánicas, reciben el nombre de autótrofos (auto = uno mismo y trophe = comer) ya que se dice que elaboran su propio alimento. Mientras que aquellos que adquieren su materia y energía de otros organismos, reciben el nombre de heterótrofos (heteros = otros).

Existen dos tipos de organismos autótrofos que son:

a) Quimiosintéticos (quimioautótrofos); son los organismos que no obtienen la energía de la luz solar, sino que la obtienen de reacciones químicas de compuestos inorgánicos (nitrogenados, de azufre, de hierro y, del hidrógeno)

b) Fotosintéticos; son los organismos que fijan la energía solar o de cualquier otra fuente de luz.

Los quimiosintéticos o quimioautótrofos constituyen un grupo de organismos poco conocidos, con la capacidad de obtener energía extrayendo electrones e hidrógeno de diversas sustancias inorgánicas como hidrógeno gaseoso, nitrógeno y compuestos de azufre.

Las bacterias quimioautótrofas pueden clasificarse por los compuestos que oxidan para obtener energía.

- Las bacterias oxidadoras de compuestos nitrogenados como Nitrobacter y Nitrocystis (figura 1.) - Las bacterias oxidadoras de compuestos del azufre como Thiobacterium y Sulfolobus. - Las bacterias oxidadoras del metano como Methylomonas y Methylococcus. - Las bacterias oxidadoras del hidrógeno como Ralstonia eutropha

Figura 1. Algunas bacterias quimiosintéticas. Nitrobacter, sulfolobus, Methylomonas y Ralstonia

Las bacterias oxidadoras de nitrógeno y azufre liberan en el suelo como producto de deshecho sulfatos o nitratos que son utilizados por las plantas como nutrientes, los que les sirven para formar muchos de sus compuestos orgánicos, incluidas proteínas y ácidos nucleicos. Su papel en la circulación de elementos en los ciclos biogeoquímicos del nitrógeno, carbono y azufre son de vital importancia, y sin ellas la vida en la Tierra sería muy diferente.

Recientemente se han descubierto organismos quimioautótrofos en lo que se conoce como ventilas hidrotermales (ver figura 2). En 1977 unos investigadores que estudiaban el suelo oceánico cerca de las islas Galápagos descubrieron fisuras producto de la actividad volcánica en el lecho marino a cerca de 2,500 metros de profundidad entre dos placas tectónicas, en las cuales encontraron comunidades de organismos que vivían muy cerca de ellas. El agua fría del océano se filtraba en las fisuras y alcanzaba altas temperaturas. Al calentarse el agua (hasta 350° C) ésta, era empujada hacia arriba por efecto del tremendo calor y los minerales de las rocas del lugar se disuelven y mezclaban con el agua y la enriquecían con zinc, hierro, cobre y sulfatos de magnesio y azufre, y formaban depósitos ricos en estos minerales. Aquí el azufre sirve como fuente de energía para las bacterias quimioautotróficas (se debe tomar en cuenta que en estas profundidades prácticamente no existe la luz solar como fuente de energía), las bacterias en este ecosistema son los productores primarios en la cadena trófica, que incluye en eslabones más altos a gusanos, crustáceos y peces. Se han descubierto gusanos tubícolas de 3 metros de largo que obtienen sus carbohidratos directamente de las bacterias quimioautotróficas que viven en el interior de sus cuerpos.

Figura 2. Ventila marina hidrotermal.

Posteriormente se han localizado más ventilas hidrotermales, en el Golfo de California, en el Atlántico, e incluso en el lago Baikal en Rusia que es el más profundo del mundo.

La fotosíntesis y quimiosíntesis son muy similares, ya que en ambas se requiere de fuentes donadoras de electrones, hidrógeno, carbono en forma de bióxido de carbono (CO2) y energía. En la fotosíntesis los electrones y el hidrógeno se obtienen de la fotólisis de agua. En la quimiosíntesis el donador de electrones es una sustancia inorgánica como el hidrógeno o nitrógeno, en ella los electrones son desplazados de las sustancias inorgánicas y las sustancias reducidas proveen la energía necesaria para producir ATP y NADPH. Algunas de las bacterias de las ventilas hidrotermales oxidan el hidrógeno en sulfuro de hidrógeno para obtener energía para producir carbohidratos.

En el caso de bacterias oxidadoras de compuestos nitrogenados, tenemos como ejemplo la formula de la reacción. 2NH3 + 302 2N02 + 2H + 2H20

La formula de la quimiosíntesis de algunas bacterias que viven en la cercanía de las ventilas hidrotermales oxidadoras del azufre es la siguiente:

                                CO2 + 2H2S                  CH2O + H2O + 2S 

Aunque son pocas las bacterias quimioautótrofas, su actividad junto con la de los organismos fotosintéticos proveen la energía y nutrientes para todos los demás seres vivos de la tierra.

En el caso de las oxidadoras del metano tenemos que el proceso ocurre en sedimentos marinos anoxicos (sin la presencia de oxígeno) en donde el metano con diferentes aceptores de electrones, como sulfatos, nitratos y algunos metales.

                         CH4 + SO42− → HCO3− + HS− + H2O

La reacción química de las bacterias oxidadoras del hidrógeno es la siguiente.

                                   H2 + ½ 02                              H2O 
                          

Fotoautótrofos.

El término fotoautótrofos proviene del griego (Photo = Luz y trophe = que se alimenta) y se usa para los organismos que elaboran su alimento a partir de la luz solar, atrapando a los fotones como fuente de energía y tomando del ambiente agua y bióxido de carbono para formar como producto final a la glucosa.

Aunque existen diferentes organismos fotoautótrofos los principales en abundancia e importancia son los fotosinteticos.

La historia de la fotosíntesis es realmente apasionante, ya que este proceso, en su debido contexto de interacción con las comunidades que han poblado el planeta, ha determinado no solo el paisaje que reconocemos cotidianamente, sino también las condiciones que sustentan la vida como la conocemos en nuestro planeta. Se sabe que los primeros seres vivos fueron organismos heterótrofos que adquirieron su energía y materia necesaria para subsistir a partir de las substancias orgánicas del ambiente, por lo que debieron ser muy parecidos a las bacterias y algas verde-azules actuales y efectuaban una respiración anaeróbica.

En un principio fueron totalmente dependientes de las moléculas orgánicas sintetizadas espontáneamente en el medio (aminoácidos, carbohidratos y nucleótidos) y pudieron proliferar, pero finalmente consumieron el alimento más rápidamente que lo que se podía sintetizar en forma espontánea, lo cual provocó una competencia por los limitados nutrientes. Más tarde, cuando cambiaron las condiciones de la tierra primitiva y terminó por completo la síntesis abiótica de compuestos orgánicos, algunas formas celulares que previamente habían integrado en su estructura a la clorofila, evolucionaron (evitando asi la competencia) adquiriendo la capacidad de elaborar su propio alimento y constituyendo así los primeros organismos fotoautótrofos.

Los primeros fotoautótrofos no sólo elaboraron su propio alimento, sino que también fue aprovechado por los heterótrofos, al alimentrase de los fotoautótrofos.

Estos primeros fotoautótrofos debieron tener características parecidas a las actuales bacterias fotosintéticas anaerobias. Utilizaban la luz solar para remover átomos de hidrógeno del hidrógeno molecular (H2 ), del sulfuro de hidrógeno (H2S), del etanol o del ácido láctico y combinaban el hidrógeno liberado con el CO2 para producir compuestos orgánicos en los cuales se almacena la energía. Posteriormente estos compuestos fueron usados en la respiración aeróbia y anaeróbia para producir ATP, tanto en los autótrofos como heterótrofos.

Más tarde surgió otro grupo de organismos capaces de extraer el hidrógeno rompiendo moléculas de agua y liberando el oxígeno como deshecho. Estos nuevos autótrofos fueron las cianobacterias que aparecieron hace tres mil millones de años.

Ya que el agua era muy abundante, las cianobacterias (ver figura 3.) proliferaron en las charcas y mares con sus moléculas capaces de atrapar la luz del sol y liberar grandes cantidades de O2 a la atmósfera, por lo que se fue acumulando oxígeno libre, transformando la atmósfera de reductora a oxidante.

La mayoría de los organismos existentes estaban en ese entonces mal equipados para resistir altas concentraciones de O2 (molécula altamente oxidante) en el ambiente, por lo que algunos fueron empujados a la extinción y otros tuvieron que desarrollar mecanismos de obtención de energía metabolizando los productos de la degradación de la glucosa mediante procesos más eficientes que la simple fermentación, apareciendo de esta manera la respiración aerobia (usando O2). Este tipo de respiración representó una ventaja para los organismos que la realizaban, ya que permite obtener una mayor cantidad de energía que la fermentación.

Figura 3. Algunas cianobacterias pueden constituir estructuras de aspecto rocoso llamadas estromatolitos, que constituyen algunos de los fósiles más antiguos conocidos, como los actuales aquí representadosn de Cuatro Cienegas en Coahuila.

Figura 4. Los fotoautótrofos han moldeado el mundo que conocemos.

Heterótrofos.

Los heterótrofos son organismos que cubren sus necesidades de materia y energía a partir de otros organismos. El término es del griego Hetero = otro y trophe = que se alimenta.

Los científicos que estudian el origen de la vida y sus primeras manifestaciones, no tienen duda de que los primeros sistemas celulares tenían una nutrición heterótrofa. También parece ser que se nutrían por absorción, ya que en los océanos primitivos abundaban los compuestos orgánicos diluidos en agua. No obstante, como ya mencionamos, la primera crisis de la vida en la Tierra consistió en el término de la síntesis abiótica de los compuestos orgánicos; situación que fue parcialmente “solucionada” por la proliferación de los autótrofos.

No hubiese habido opciones para los heterótrofos de no ser por que algunos de ellos ya habían desarrollado una nueva variante de esta nutrición, que consistía en ingerir otras formas celulares, ricas en compuestos orgánicos, inventándose así la depredación. El surgimiento de los autótrofos como los únicos organismos capaces de fabricar su alimento, determinó el establecimiento de las pirámides tróficas como hoy las conocemos: En la base, con una cantidad muy grande de biomasa, tenemos a los productores o fotosintéticos; encima de ellos, alimentándose a su costa, tenemos a los consumidores primarios o herbívoros, los cuáles alcanzan una biomasa máxima del 10% con respecto a la base; en el tercer piso, tenemos a los consumidores secundarios o carnívoros, que viven de la depredación de los herbívoros. Trascendiendo a los tres niveles, tenemos a los consumidores terciarios o desintegradores, que se alimentan de los desperdicios y cadáveres de los individuos de los tres pisos de la pirámide (desde luego que la cadena alimentaria puede tener más niveles y depende del ecosistema del que se trate).

Los tres grupos de consumidores son heterótrofos, aunque pueden tener variantes significativas. Algunos de ellos, tienen digestión externa como algunos hongos y arañas; otros pueden tener digestión intracelular, como algunos protoctistas y otros, como el hombre, pueden tener digestión interna pero extracelular. Como has podido ver hasta ahora, que únicamente hemos hablado de tipos de nutrición, el metabolismo ciertamente genera una gran diversidad de formas.

Figura 5. Heterótrofos. Hongo, araña, protoctista Trypanosoma y animal.

SEGUNDA UNIDAD: ¿Por qué se considera a la variación, la transmisión y expresión genética como la base molecular de los sistemas biológicos?

Tema 1. Organización del material genético.

Tema 2. Genética y biodiversidad.

Tema 3. Variación genética y su importancia para la biodiversidad.

Anexos

Lecturas

• Metabolismo y energía
• Enzimas
• ¿ Cómo obtienen los sistemas vivos su energía ?
• Vida sin luz.
• Fuera del delgado aire.
• Cambios génicos como fuente de variación.
• Pero, ¿Quién fue Mendel?
• Genes y variación.

Actividades Experimentales

• Propuesta de práctica:Biotecnología.
• Propuesta de práctica:Influencia de la temperatura en la fermentación alcohólica.
• Práctica:influencia del bióxido de carbono en la fotosíntesis.
• Práctica de campo:Visita guiada a la planta de tratamiento de aguas de la UNAM.

Presentaciones en Power Point

Antología

• La obesidad: un desorden metabólico de alto riesgo para la salud
• Fuera del delgado aire.
• Vida sin luz.
• Críalo europeo. Clamator glandarius. Linnaeus,1758.
• Mutaciones fundadoras.

Cuestionarios de autoevaluación

• Instrucciones.
• Primera Unidad. Tema I. Bases moleculares del metabolismo
• Primera Unidad. Tema II. Procesos metabólicos de obtención y transformación de materia y energía.

• Segunda Unidad. Tema I. Organización del material genético.
• Segunda Unidad. Tema II. Genética y biodiversidad.
• Segunda Unidad. Tema III. Variación genética y su importancia para la biodiversidad.