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Área de Ciencias Biológicas y Naturales
Carrera Ingeniería Ambiental
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TEMA Nº 04
 BIOLOGIA APLICADA
PROCESO FISICO – QUIMICO DE LOS SERES VIVOS
LA RESPIRACION:
Por respiración generalmente se entiende al proceso fisiológico
indispensable para la vida de organismos aeróbicos.
Según los distintos hábitats, los distintos seres vivos aeróbicos han
desarrollado diferentes sistemas de intercambio de gases: cutáneo,
traqueal, branquial, pulmonar. Consiste en un intercambio gaseoso
osmótico (o por difusión) con su medio ambiente en el que se capta
oxígeno, necesario para la respiración celular, y se desecha dióxido de
carbono, como subproducto del metabolismo energético.
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Plantas y animales, lo mismo que otros organismos de
metabolismo equivalente, se relacionan a nivel
macroecológico por la dinámica que existe entre
respiración y fotosíntesis. En la respiración se emplean el
oxígeno del aire, que a su vez es un producto de la
fotosíntesis oxigénica, y se desecha dióxido de carbono;
en la fotosíntesis se utiliza el dióxido de carbono y se
produce el oxígeno, necesario luego para la respiración
aeróbica.
 La reacción química global de la respiración es la
siguiente:
 C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía (ATP)
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Respiración celular:
La respiración celular es el conjunto de reacciones
bioquímicas que ocurre en la mayoría de las células, en
las que el ácido pirúvico producido por la glucólisis se
desdobla a dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) y se
producen 38 moléculas de ATP.
Su fórmula general es:
C6H12O6 + 6 O2 ----> 6 CO2 + 6H2O y se liberan 38
moléculas de ATP
En las células eucariotas la respiración se realiza en las
mitocondrias y ocurre en tres etapas que son estos:
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•Oxidación del ácido pirúvico.
•Ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs)
•Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa del ADP a ATP.
La respiración celular es una parte del metabolismo,
concretamente del catabolismo, en la cual la energía
contenida en distintas biomoléculas, como los glúcidos, es
liberada de manera controlada. Durante la respiración una
parte de la energía libre desprendida en estas reacciones
exotérmicas, es incorporada a la molécula de ATP, que
puede ser a continuación utilizado en los procesos
endotérmicos, como son los de mantenimiento y desarrollo
del organismo (anabolismo).
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La respiración celular podría dividirse en dos tipos, según
el papel atribuido al oxígeno:
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Respiración aeróbica: Hace uso del O2 como aceptor
último de los electrones desprendidos de las sustancias
orgánicas. Es la forma más extendida, propia de una parte
de las bacterias y de los organismos eucariontes, cuyas
mitocondrias derivan de aquéllas. Se llama aerobios a los
organismos que, por este motivo, requieren O2.
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Respiración anaeróbica: No interviene el oxígeno, sino
que se emplean otros aceptores finales de electrones,
muy variados, generalmente minerales y, a menudo,
subproductos del metabolismo de otros organismos. Un
ejemplo de aceptor es el SO42- (anión sulfato), que en el
proceso queda reducido a H2S:
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La respiración anaeróbica es propia de
procariotas diversos, habitantes sobre todo de
suelos y sedimentos, y algunos de estos
procesos son importantes en los ciclos
biogeoquímicos de los elementos. No debe
confundirse la respiración anaerobia con la
fermentación, que es una oxidación-reducción
interna a la molécula procesada, en la que no se
requiere ni O2 ni ningún otro aceptor de
electrones.
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RESPIRACION AEROBICA:
La respiración aeróbica es un tipo de metabolismo
energético en el que los seres vivos extraen energía de
moléculas orgánicas, como la glucosa, por un proceso
complejo en el que el carbono es oxidado y en el que el
oxígeno procedente del aire es el oxidante empleado. En
otras variantes de la respiración, muy raras, el oxidante es
distinto del oxígeno (respiración anaeróbica). La respiración
aeróbica es el proceso responsable de que la mayoría de los
seres vivos, los llamados por ello aerobios, requieran
oxígeno. La respiración aeróbica es propia de los
organismos eucariontes en general y de algunos tipos de
bacterias.
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El oxígeno que, como cualquier gas, atraviesa sin
obstáculos las membranas biológicas, atraviesa
primero la membrana plasmática y luego las
membranas mitocondriales, siendo en la matriz de
la mitocondria donde se une a electrones y
protones (que sumados constituyen átomos de
hidrógeno) formando agua. En esa oxidación final,
que es compleja, y en procesos anteriores se
obtiene la energía necesaria para la fosforilación
del ATP.
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En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico, obtenido
durante la fase primera anaerobia o glucólisis, es oxidado
para proporcionar energía, dióxido de carbono y agua. A
esta serie de reacciones se le conoce con el nombre de
respiración aeróbica.
La reacción química global de la respiración es la
siguiente:
C6 H12 O6 + 6O2 ---> 6CO2 + 6H2O + energía (ATP)
Etapas de la respiración aeróbica:
De modo tradicional, la respiración aerobia se ha
subdividido en las siguientes etapas:
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Glucolisis:
Esquema de la respiración celular
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Durante la glucólisis, una molécula de glucosa es oxidada y escindida
en dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato). En esta ruta metabólica
se obtiene dos moléculas netas de ATP y se reducen dos moléculas de
NAD+; el número de carbonos se mantiene constante (6 en la molécula
inicial de glucosa, 3 en cada una de las moléculas de ácido pirúvico).
Todo el proceso se realiza en el citosol de la célula.
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La glicerina (glicerol) que se forma en la lipólisis de los triglicéridos se
incorpora a la glucólisis a nivel del gliceraldehído 3 fosfato.
La desaminación oxidativa de algunos aminoácidos también rinde
piruvato; que tienen el mismo destino metabólico que el obtenido por
glucólisis.
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Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico:
El ácido pirúvico penetra en la matriz mitocondrial donde es procesado
por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa, el cual realiza la
descarboxilación oxidativa del piruvato; descarboxilación porque se
arranca uno de los tres carbonos del ácido pirúvico (que se desprende
en forma de CO2) y oxidativa porque, al mismo tiempo se le arrancan
dos átomos de hidrógeno (oxidación por deshidrogenación), que son
captados por el NAD+, que se reduce a NADH. Por tanto; el piruvato
se transforma en un radical acetilo (-CO-CH3, ácido acético sin el
grupo hidroxilo) que es captado por el coenzima A (que pasa a acetilCoA), que es el encargado de transportarlo al ciclo de Krebs.
Este proceso se repite dos veces, una para cada molécula de piruvato
en que se escindió la glucosa.
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Ciclo de Krebs:
El ciclo de Krebs es una ruta metabólica cíclica que se lleva a cabo en
la matriz mitocondrial y en la cual se realiza la oxidación de los dos
acetilos transportados por el acetil coenzima A, provenientes del
piruvato, hasta producir dos moléculas de CO2, liberando energía en
forma utilizable, es decir poder reductor (NADH, FADH2) y GTP.
Para cada glucosa se producen dos vueltas completas del ciclo de
Krebs, dado que se habían producido dos moléculas de acetil
coenzima A en el paso anterior; por tanto se ganan 2 GTPs y se
liberan 4 moléculas de CO2. Estas cuatro moléculas, sumadas a las
dos de la descarboxilación oxidativa del piruvato, hacen un total de
seis, que es el número de moléculas de CO2 que se producen en
respiración aeróbica (ver ecuación general).
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Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa:
Son las últimas etapas de la respiración aeróbica
y tienen dos finalidades básicas:
Reoxidar las coenzimas que se han reducido en
las etapas anteriores (NADH y FADH2 con el fin
de que estén de nuevo libres para aceptar
electrones y protones de nuevos substratos
oxidables.
Producir energía utilizable en forma de ATP.
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Estos dos fenómenos están íntimamente relacionados y
acoplados mutuamente. Se producen en una serie de
complejos enzimáticos situados (en eucariotas) en la
membrana interna de la mitocondria; cuatro complejos
realizan la oxidación de los mencionados coenzimas
transportando los electrones y aprovechando su energía
para bombear protones desde la matriz mitocondrial hasta
el espacio intermembrana. Estos protones solo pueden
regresar a la matriz a través de la ATP sintasa, enzima que
aprovecha el gradiente electroquímico creado para
fosforilar el ADP a ATP, proceso conocido como
fosforilación oxidativa.
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Los electrones y los protones implicados en
estos procesos son cedidos definitivamente al O2
que se reduce a agua. Nótese que el oxígeno
atmosférico obtenido por ventilación pulmonar
tiene como única finalidad actuar como aceptor
final de electrones y protones en la respiración
aerobia.
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RESPIRACION ANAEROBICA:
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La respiración anaeróbica es un proceso biológico de
oxidorreducción de azúcares y otros compuestos en el
que el aceptor terminal de electrones es una molécula, en
general inorgánica, distinta del oxígeno. La realizan
exclusivamente algunos grupos de bacterias.
En la respiración anaeróbica no se usa oxígeno, sino que
para la misma función se emplea otra sustancia oxidante
distinta, como el sulfato o el nitrato.
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En las bacterias con respiración anaerobia
interviene también una cadena transportadora de
electrones en la que se reoxidan los coenzimas
reducidos durante la oxidación de los substratos
nutrientes; es análoga a la de la respiración
aerobia, ya que se compone de los mismos
elementos (citocromos, quinonas, proteínas
ferrosulfúricas, etc.). La única diferencia, por
tanto radica, en que el aceptor último de
electrones no es el oxígeno.
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Todos los posibles aceptores en la respiración anaerobia
tienen un potencial de reducción menor que el O2, por lo
que, partiendo de los mismos sustratos (glucosa,
aminoácidos, triglicéridos), se genera menos energía en
este metabolismo que en la respiración aerobia
convencional. No hay que confundir la respiración
anaeróbica con la fermentación, en la que no existe en
absoluto cadena de transporte de electrones, y el
aceptor final de electrones es una molécula orgánica;
estos dos tipos de metabolismo tienen solo en común el
no ser dependientes del oxígeno.
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aceptor
Nitrato
Producto final
microorganismo
Sulfato
Azufre
Nitritos, óxidos de nitrógeno y Pseudomonas, Bacillus
N2
Sulfuros
Desulfovibrio, Clostridium
Sulfuros
Thermoplasma
CO2
Metano
Methanococcus, Methanosarcina, Methanopyrus
Fe3+
Fe2+
Shewanella, Geobacter, Geospirillum, Geovibrio
Mn4+
Mn2+
Shewanella putrefaciens
Selenato
Selenito
Arsenato
Fumarato
DMSO
Arsenito
Succinato
DMS
TMAO
TMA
Clorobenzoato Benzoato
Desulfotomaculum
Wolinella succinogenes, Desulfovibrio, E. coli
Campylobacter, Escherichia
Desulfomonile
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Utilización de sulfato como aceptor de electrones:
La utilización de sulfato como aceptor de electrones es una
habilidad rara, restringida al género Desulfovibrio y algunas
especies de Clostridium. Todas estas bacterias son
anaeróbicas estrictas, de modo que la reducción del sulfato
no es una alternativa de su metabolismo, como lo es la
reducción del nitrato. La reacción es la siguiente:
SO42- + 8e- + 8H+ → S2- + 4H2O
Las bacterias reductoras de sulfatos atacan solo unos pocos
compuestos orgánicos, siendo el ácido láctico y los ácidos
dicarboxílicos de 4 carbonos sus principales substratos.
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Utilización de dióxido de carbono como aceptor de electrones:
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Un pequeño grupo de procariotas anaeróbicas estrictas, las arqueas
productoras de metano, utilizan dióxido de carbono como aceptor de
electrones; la reducción da lugar a metano (CH4). El caso más simple es
la oxidación de hidrógeno molecular, reacción productora de energía:
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4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
El hidrógeno no es un gas común en la biosfera, de modo que estos
microorganismos habitan lugares muy específicos como en sedimentos
anaerobios del fondo de lagos y pantanos, o en el tubo digestivo de los
rumiantes, donde otros microorganismos producen el H2 libre que
precisan.
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LA NUTRICION:
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La nutrición es el proceso biológico en el que los
organismos asimilan los alimentos y los líquidos
necesarios para el funcionamiento, el crecimiento y el
mantenimiento de sus funciones vitales. La nutrición
también es la ciencia que estudia la relación que existe
entre los alimentos y la salud, especialmente en la
determinación de una dieta.
Aunque alimentación y nutrición se utilizan frecuentemente
como sinónimos, son términos diferentes ya que:
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La nutrición hace referencia a los nutrientes que
componen los alimentos y comprende un conjunto de
fenómenos involuntarios que suceden tras la ingestión de
los alimentos, es decir, la digestión, la absorción o paso a
la sangre desde el tubo digestivo de sus componentes o
nutrientes, y su asimilación en las células del organismo.
La nutrición es la ciencia que examina la relación entre
dieta y salud. Los nutricionistas son profesionales de la
salud que se especializan en esta área de estudio, y
están entrenados para proveer consejos dietéticos.
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La alimentación comprende un conjunto de actos
voluntarios y conscientes que van dirigidos a la elección,
preparación e ingestión de los alimentos, fenómenos muy
relacionados con el medio sociocultural y económico
(medio ambiente) y determinan al menos en gran parte, los
hábitos dietéticos y estilos de vida.
Muchas enfermedades comunes y sus síntomas
frecuentemente pueden ser prevenidas o aliviadas con una
buena nutrición pero igual que comer cosas que engordan
, por esto, la ciencia de la nutrición intenta entender cómo
y cuáles son los aspectos dietéticos específicos que
influyen en la salud.
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El propósito de la ciencia de la nutrición es explicar la
respuesta metabólica y fisiológica del cuerpo ante la
dieta. Con los avances en biología molecular, bioquímica
y genética la ciencia de la nutrición está adicionalmente
desarrollándose en el estudio del metabolismo, lo cual
procura conectar a la dieta y la salud a través del lente de
los procesos bioquímicos. El cuerpo humano está hecho
de compuestos químicos tales como agua, aminoácidos
(proteínas), ácidos grasos (lípidos), ácidos nucleicos
(ADN/ARN) y carbohidratos (por ejemplo azúcares y
fibra).
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Una nutrición adecuada es la que cubre:
Los requerimientos de energía a través de la metabolización de
nutrientes como los carbohidratos, proteínas y grasas. Estos
requerimientos energéticos están relacionados con el gasto
metabólico basal, el gasto por la actividad física y el gasto inducido
por la dieta.
Las necesidades de micronutrientes no energéticos como las
vitaminas y minerales.
La correcta hidratación basada en el consumo de bebidas, en especial
del agua.
La ingesta suficiente de fibra dietética.
Los objetivos dietéticos se representan mediante diferentes recursos
gráficos, uno de ellos es la pirámide de los alimentos.
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TIPOS DE NUTRICION EN LOS SERES VIVOS:
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Nutrición autótrofa (la que llevan a cabo los
organismos que producen su propio alimento).
Los seres autótrofos son organismos capaces de
sintetizar sustancias esenciales para su
metabolismo a partir de sustancias inorgánicas. El
término autótrofo procede del griego y significa
"que se alimenta por sí mismo".
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Los organismos autótrofos producen su masa
celular y materia orgánica, a partir del dióxido de
carbono, que es inorgánico, como única fuente de
carbono, usando la luz o sustancias químicas
como fuente de energía. Las plantas y otros
organismos que usan la fotosíntesis son
fotolitoautótrofos; las bacterias que utilizan la
oxidación de compuestos inorgánicos como el
anhídrido sulfuroso o compuestos ferrosos como
producción de energía se llaman
quimiolitotróficos.
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Los seres heterótrofos como los animales, los hongos, y la
mayoría de bacterias y protozoos, dependen de los
autótrofos ya que aprovechan su energía y la de la materia
que contienen para fabricar moléculas orgánicas
complejas. Los heterótrofos obtienen la energía rompiendo
las moléculas de los seres autótrofos que han comido.
Incluso los animales carnívoros dependen de los seres
autótrofos porque la energía y su composición orgánica
obtenida de sus presas procede en última instancia de los
seres autótrofos que comieron sus presas.
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Nutrición heterótrofa (la que llevan a cabo aquellos
organismos que necesitan de otros para vivir). Los
organismos heterótrofos (del griego "hetero", otro,
desigual, diferente y "trofo", que se alimenta), en contraste
con los autótrofos, son aquellos que deben alimentarse
con las sustancias orgánicas sintetizadas por otros
organismos, bien autótrofos o heterótrofos a su vez. Entre
los organismos heterótrofos se encuentra multitud de
bacterias y los animales.
Según el origen de la energía que utilizan los organismos
hetrótrofos, pueden dividirse en:
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Fotoorganotrofos: estos organismos fijan la
energía de la luz. Constituyen un grupo muy
reducido de organismos que comprenden la
bacteria purpúrea y familia de seudomonadales.
Sólo realizan la síntesis de energía en presencia
de luz y en medios carentes de oxígeno
Quimiorganotrofos: utilizan la energía química
extraída directamente de la materia orgánica. A
este grupo pertenecen todos los integrantes del
reino animal, todos del reino de los hongos, gran
parte de los moneras y de las arqueobacterias
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Los heterótrofos pueden ser de dos tipos
fundamentalmente:
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Consumidores, o bien saprótrofos y
descomponedores.
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Los autótrofos y los heterótrofos se necesitan
mutuamente para poder existir.
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TEMA Nº 05
BIOLOGIA APLICADA
METABOLISMO
El metabolismo es el conjunto de reacciones y
procesos físico-químicos que ocurren en una célula
y en el organismo. Estos complejos procesos
interrelacionados son la base de la vida a nivel
molecular, y permiten las diversas actividades de
las células: crecer, reproducirse, mantener sus
estructuras, responder a estímulos, etc.
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El metabolismo se divide en dos procesos conjugados:
catabolismo y anabolismo. Las reacciones catabólicas
liberan energía; un ejemplo es la glucólisis, un proceso de
degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción
resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces
químicos. Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan
esta energía liberada para recomponer enlaces químicos y
construir componentes de las células como lo son las
proteínas y los ácidos nucleicos. El catabolismo y el
anabolismo son procesos acoplados que hacen al
metabolismo en conjunto, puesto que cada uno depende del
otro.
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La economía que la actividad celular impone sobre
sus recursos obliga a organizar estrictamente las
reacciones químicas del metabolismo en vías o
rutas metabólicas, donde un compuesto químico
(sustrato) es transformado en otro (producto), y
este a su vez funciona como sustrato para generar
otro producto, siguiendo una secuencia de
reacciones bajo la intervención de diferentes
enzimas (generalmente una para cada sustratoreacción).
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Las enzimas son cruciales en el metabolismo porque
agilizan las reacciones físico-químicas, pues hacen
que posibles reacciones termodinámicas deseadas
pero "desfavorables", mediante un acoplamiento,
resulten en reacciones favorables. Las enzimas
también se comportan como factores reguladores de
las vías metabólicas, modificando su funcionalidad –
y por ende, la actividad completa de la vía
metabólica– en respuesta al ambiente y
necesidades de la célula, o según señales de otras
células.
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El metabolismo de un organismo determina qué
sustancias encontrará nutritivas y cuáles encontrará
tóxicas. Por ejemplo, algunas procariotas utilizan
sulfuro de hidrógeno como nutriente, pero este gas
es venenoso para los animales. La velocidad del
metabolismo, el rango metabólico, también influye
en cuánto alimento va a requerir un organismo.
A
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Una característica del metabolismo es la similitud
de las rutas metabólicas básicas incluso entre
especies muy diferentes. Por ejemplo: la
secuencia de pasos químicos en una vía
metabólica como el ciclo de Krebs es universal
entre células vivientes tan diversas como la
bacteria unicelular Escherichia coli y organismos
pluricelulares como el elefante. Esta estructura
metabólica compartida es muy probablemente el
resultado de la alta eficiencia de estas rutas, y de
su temprana aparición en la historia evolutiva.
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CATABOLISMO
El catabolismo es el conjunto de procesos
metabólicos que liberan energía. Estos incluyen
degradación y oxidación de moléculas de alimento,
así como reacciones que retienen la energía del Sol.
El propósito de estás reacciones catabólicas es
proveer energía, poder reductor y componentes
necesitados por reacciones anabólicas. La
naturaleza de estas reacciones catabólicas difiere de
organismo en organismo.
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Sin embargo, estas diferentes formas de catabolismo
dependen de reacciones de reducción-oxidación que
involucran transferencia de electrones de moléculas
donantes (como las moléculas orgánicas, agua, amoníaco,
sulfuro de hidrógeno e iones ferrosos), a aceptores de
dichos electrones como el oxígeno, el nitrato o el sulfato.[53]
En los animales, estas reacciones conllevan la degradación
de moléculas orgánicas complejas a otras más simples,
como dióxido de carbono y agua. En organismos
fotosintéticos como plantas y cianobacteria, estas
transferencias de electrones no liberan energía, pero son
usadas como un medio para almacenar energía solar
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El conjunto de reacciones catabólicas más común en
animales puede ser separado en tres etapas distintas. En
la primera, moléculas orgánicas grandes como las
proteínas, polisacáridos o lípidos son digeridos en
componentes más pequeños fuera de las células. Luego,
estas moléculas pequeñas son llevadas a las células y
convertidas en moléculas aún más pequeñas,
generalmente coenzima A, que libera energía. Finalmente,
el grupo acetil en la molécula de acetil CoA es oxidado a
agua y dióxido de carbono, liberando energía que se
retiene al reducir la coenzima nicotinamida adenina
dinucleótido (NAD+) en NADH.
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ANABOLISMO
El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos
constructivos en donde la energía liberada por el catabolismo
es utilizada para sintetizar moléculas complejas. En general,
las moléculas complejas que dan lugar a estructuras
celulares son construidas a partir de precursores simples. El
anabolismo involucra tres facetas. Primero, la producción de
precursores como aminoácidos, monosacáridos, isoprenoides
y nucleótidos; segundo, su activación en reactivos usando
energía del ATP; y tercero, el conjunto de estos precursores
en moléculas más complejas como proteínas, polisacáridos,
lípidos y ácidos nucleicos.
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Los organismos difieren en cuántas moléculas pueden sintetizar
por sí mismos en sus células. Los organismos autótrofos, como
las plantas, pueden construir moléculas orgánicas complejas y
proteínas por sí mismos a partir moléculas simples como
dióxido de carbono y agua. Los organismos heterótrofos, en
cambio, requieren de una fuente de sustancias más complejas,
como monosacáridos y aminoácidos, para producir estas
moléculas complejas. Los organismos pueden ser clasificados
por su fuente de energía:
•Fotoautótrofos y fotoheterótrofos, que obtienen la energía del
Sol.
•Quimioheterótrofos y quimioautótrofos, que obtienen la energía
mediante reacciones oxidativas.
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