Anabolismo: Fotosíntesis y Pigmentos Fotosintéticos

La fotosíntesis es un proceso anabólico fotoautótrofo mediante el cual la mayoría de los organismos autótrofos captan la energía luminosa del sol y la transforman en energía química, mediante la reducción del CO2. La energía se almacena y se aprovecha en la síntesis de principios inmediatos como la materia orgánica que utilizan los organismos fotosintéticos. Para que la energía de la luz pueda ser utilizada, debe ser absorbida. Las sustancias que absorben la luz son los pigmentos que, en las células eucariotas, se localizan en las membranas tilacoidales.

Fotosistemas

Los cloroplastos contienen unas 300 moléculas más de clorofila de las requeridas para la fotosíntesis. Esto significa que esas moléculas actúan juntas como una unidad fotosintética donde se produce la captación de luz y la liberación de electrones.

Componentes del Fotosistema

• Pigmentos antena: Aunque el conjunto de moléculas de clorofila no participa directamente en la conversión de energía, todas absorben luz y forman una antena para atrapar fotones. Así, cuando una molécula se excita al captar un fotón, transfiere dicha energía de excitación a una molécula cercana.
• Centro de reacción: Contiene dos moléculas especiales de clorofila a que actúan como una “trampa” energética, porque los electrones liberados son enviados hacia la cadena de transporte electrónico de la membrana tilacoidal.

En las membranas tilacoidales de los vegetales existen dos tipos de fotosistemas: Fotosistema I y Fotosistema II.

Generalidades de la Fotosíntesis

La fotosíntesis consta de dos fases:

• Fase Lumínica (Fotoquímica)

  Se produce en las membranas de los tilacoides. Genera energía en forma de NADPH y ATP.

• Fase Oscura (Biosintética)

  Se produce en el estroma del cloroplasto. Utiliza el NADPH y el ATP producidos en la fase lumínica para producir materia orgánica. En esta fase se fija el CO2 que actúa como fuente de carbono.

Fase Lumínica

Fosforilación No Cíclica

Empieza cuando la luz incide sobre el Fotosistema II. Su centro de reacción, que son dos moléculas de clorofila, pierde un electrón que empieza a moverse a través de los transportadores. La plastocianina pierde este electrón que había recibido y el electrón llega al Fotosistema I. Cuando el Fotosistema I recibe luz del sol, las dos moléculas de clorofila que forman el centro de reacción pierden un electrón que es cedido a un átomo de hierro. El átomo de hierro pierde este electrón y lo cede a una molécula de NADP+ que, gracias a ese electrón y a la ganancia de un protón, se convertirá en NADPH.

La energía generada por el paso de los electrones a través de los transportadores permite bombear protones H+ al interior del tilacoide a través del transportador Citb-c6. Se acumulan una gran cantidad de protones en el interior del tilacoide que quieren salir al estroma. A la vez que ocurre todo esto, cuando la luz incide en el Fotosistema II, el agua se rompe por un proceso llamado fotólisis y genera O2, los protones H+ que quedan en el interior del tilacoide y los electrones que reponen la pérdida de electrones que sufre el centro de reacción del Fotosistema II.

Características:

• Intervienen el Fotosistema I y el Fotosistema II.
• Se produce O2.
• Se forma ATP.
• Se forma NADPH.

La fotólisis se produce en el interior del tilacoide cerca del Fotosistema II.

Fosforilación Cíclica

Se utiliza solo en algunas ocasiones e interviene solo el Fotosistema I. Se produce ATP, pero no se produce ni O2 ni NADPH.

Fase Oscura: Ciclo de Calvin

En la fase oscura o de biosíntesis, la energía del ATP y el poder reductor del NADPH sintetizados en la fase lumínica se utilizan para reducir el carbono y sintetizar glúcidos sencillos. Las reacciones de esta fase se producen sin necesidad de luz (de ahí el nombre). La reducción del carbono tiene lugar en el estroma de los cloroplastos de células eucariotas y en el citoplasma de las bacterias fotosintéticas, gracias a una serie de reacciones cíclicas llamadas ciclo de Calvin.

Balance Energético del Ciclo de Calvin:

6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP ——> 1 Hexosa + 12 NADP+ + 18 ADP

• ¿Con qué molécula comienza? / ¿En qué molécula se fija el CO2 atmosférico?
  Ribulosa-1,5-bifosfato.
• ¿Qué enzima cataliza el proceso?
  Rubisco.
• ¿Dónde se produce el ciclo de Calvin?
  En el estroma de los cloroplastos de las células de las plantas y algas y en el citoplasma de las bacterias fotosintéticas.
• ¿Balance energético?
  6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP ——> 1 Hexosa + 12 NADP+ + 18 ADP
• ¿Dónde se obtiene el ATP y NADPH en este proceso?
  En la fase lumínica.

Beneficios de la Fotosíntesis

En los ecosistemas, la fotosíntesis juega un papel fundamental en el proceso de fijación de carbono.

• A través de la fotosíntesis se sintetiza materia orgánica a partir de la inorgánica. La materia orgánica pasa de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas.
• Produce la transformación de la energía luminosa en energía química.
• Almacena la energía solar en forma de biomasa y combustibles fósiles.
• La fotosíntesis consume CO2, eliminándolo del medio ambiente, amortiguando así el efecto invernadero de la atmósfera y el cambio climático.

Factores Limitantes de la Fotosíntesis

• Concentración de CO2 ambiental: El aumento de la concentración de CO2 incrementa el rendimiento de la fotosíntesis.
• Temperatura: El rendimiento fotosintético aumenta con la temperatura hasta alcanzar un punto máximo, a partir del cual va disminuyendo.

Quimiosíntesis

Bacterias Quimiosintéticas

Obtienen energía al oxidar sustancias inorgánicas como NH4+, H2S, NO2- y Fe2+.

Biotecnología

Ingeniería Genética

Conjunto de procedimientos y tecnologías que permiten manipular las moléculas relacionadas con la herencia para obtener nuevos productos y servicios. Algunas de las principales técnicas desarrolladas son la clonación molecular, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), la secuenciación del ADN y el complejo CRISPR-Cas9.

Enzimas de Restricción

Cortan las moléculas de ADN cuando reconocen una secuencia de nucleótidos específica en el ADN.

Clonación Molecular

Un proceso de clonación molecular que utiliza plásmidos como base para la recombinación y bacterias como organismos “receptores”, se realiza siguiendo una serie de etapas:

1. Una enzima de restricción corta el fragmento de ADN que interesa de la célula. El fragmento se denomina transgén.
2. Se toma un plásmido de una bacteria, que será el ADN vector, y se corta con la misma enzima de restricción que antes.
3. Se inserta el transgén en el ADN vector gracias a la acción de la ADN ligasa y forma un ADN recombinante.
4. El ADN recombinante se inserta en la bacteria y queda unido a su genoma, dando lugar a un organismo modificado genéticamente.
5. La bacteria se multiplica y produce un gran número de bacterias que clonan el transgén.

Los Anticuerpos

Los anticuerpos son moléculas producidas por los linfocitos B como respuesta a la presencia de un antígeno, y destinadas a unirse específicamente a él. Los anticuerpos pueden permanecer adheridos a las membranas de los linfocitos o bien ser liberados hacia la sangre. Los anticuerpos son proteínas que reciben el nombre de Inmunoglobulinas (Ig). Están compuestas por cuatro cadenas de aminoácidos:

• Dos cadenas H (pesadas)
• Dos cadenas L (ligeras)

Las cuatro cadenas se mantienen unidas por una combinación de enlaces covalentes y adoptan en el espacio una estructura tridimensional en forma de Y. Un anticuerpo dispone de una región constante integrada por el tallo y una parte de ambas ramas, y de dos regiones variables compuestas por los extremos de estas. La región variable constituye el sitio de unión al antígeno, denominado parátopo, y permite la unión de dos moléculas de un mismo antígeno.

Tipos de Inmunoglobulinas:

• IgG
• IgE
• IgM
• IgA
• IgD

Los Antígenos

Es toda sustancia ajena al organismo capaz de desencadenar una respuesta inmune. Aunque los antígenos son fundamentalmente proteínas, algunos son polisacáridos y lípidos complejos que tienen también capacidad antigénica. Esta característica se debe a una pequeña parte de la estructura de estas macromoléculas, mediante la cual se unen a los anticuerpos. Esta región se denomina determinante antigénico o epítopo y es la zona inmunológicamente activa de un antígeno.

Reacción Inmune

La reacción inmune es el proceso que tiene lugar cuando los anticuerpos que intervienen en la respuesta inmune se encuentran con el antígeno. La reacción antígeno-anticuerpo es totalmente específica: un anticuerpo es capaz de reconocer entre miles de determinantes antigénicos aquel que es su complementario.

Tipos de Reacciones Inmunes:

• Precipitación: Los anticuerpos libres se unen a ellos formando complejos tridimensionales muy grandes que dejan de ser solubles y precipitan, facilitando el ataque de los fagocitos, que los elimina.
• Aglutinación: Este proceso ocurre cuando los anticuerpos, aglutininas, se encuentran con antígenos situados en la superficie de bacterias, constituyéndose agregados celulares que sedimentan con facilidad.
• Neutralización: Consiste en eliminar los efectos negativos del antígeno. Actúan así los anticuerpos que se comportan como antitoxinas, o los que se fijan a la envuelta de un virus, disminuyendo su capacidad infectante. Una toxina es una sustancia, normalmente una proteína, que produce una bacteria y que tiene capacidad de ataque.
• Opsonización: Las opsoninas son anticuerpos que se fijan en la superficie de los microorganismos, marcándolos para que las células fagocíticas los localicen mejor y los fagociten. Opsonizar significa hacer algo más atractivo para los fagocitos, que lo destruirán.

Respuesta Inmune

La respuesta inmune es el conjunto de procesos que se desencadenan cuando una sustancia penetra en el organismo y este no la reconoce como propia. La respuesta tiene lugar mediante la fabricación de anticuerpos o a través de la formación de células, pero el fin es el mismo: neutralizar al agente invasor y dotar al organismo de inmunidad frente al mismo. La respuesta inmune es específica; la resistencia a un antígeno no implica resistencia a otro distinto. Y se produce siempre que existe contacto con el patógeno invasor, pero tras el primero de ellos, el organismo “recuerda” y en contactos sucesivos, la respuesta puede llegar a ser tan intensa y rápida que la enfermedad no siempre vuelve a manifestarse.

Respuesta Inmune Primaria:

• Es el primer contacto del organismo con un antígeno.
• Este proceso es imprescindible y necesario para que exista memoria inmune porque es aquí cuando la proliferación de los linfocitos crea células de memoria.
• Consta de tres fases:
  • Fase de latencia: Duración de 1-2 semanas. El antígeno es identificado y proliferan los linfocitos.
  • Fase logarítmica: En ella, la producción de anticuerpos aumenta hasta un máximo.
  • Fase de declinación: La concentración de anticuerpos disminuye progresivamente.

Respuesta Inmune Secundaria:

• Aparece cuando el antígeno accede por segunda vez al organismo.
• Consta de dos fases:
  • Fase de latencia: Más corta porque existen células de memoria que reconocen al antígeno y proliferan a gran velocidad.
  • Producción de anticuerpos: La segunda respuesta es más rápida y de mayor intensidad. Los anticuerpos pueden perdurar largo tiempo en la sangre. Los virus del sarampión, la varicela o la rubeola crean un estado inmune permanente en el individuo. Pero el virus de la gripe muta con mucha facilidad y los anticuerpos que hay en nuestro organismo no sirven para los nuevos virus.
• La respuesta inmune secundaria es tan inmediata y efectiva que, gracias a la memoria inmunológica, el antígeno es eliminado sin que llegue a producirse ningún síntoma de la enfermedad.

Linfocitos

• Linfocitos B: Se forman y maduran en la médula ósea. Son los responsables de la respuesta inmune humoral y de producir anticuerpos libres que neutralizan a los antígenos que se unen.
• Linfocitos T: Se forman en la médula ósea, pero maduran en el timo. No producen anticuerpos, e intervienen en la respuesta inmune celular.

Tipos de Linfocitos T:

• Linfocitos T citotóxicos: Destruyen células tumorales o infectadas por virus.
• Linfocitos T colaboradores: Ayudan a los linfocitos B, activándolos para que produzcan anticuerpos.
• Linfocitos T supresores: Inhiben tanto la respuesta celular como la humoral.

Estado Inmune

El término inmunidad es la condición de alguien que está libre de padecer una enfermedad. El estado inmune lo propician tanto el sistema inmunitario innato como el sistema inmunitario adaptativo.

Sistema Inmunitario Innato y Adaptativo:

• Sistema Inmunitario Innato: Las células que participan son los fagocitos.
• Sistema Inmunitario Adaptativo: Las células que participan son los linfocitos.

Tipos de Inmunidad:

• Inmunidad Congénita Natural o Innata: Es la que poseen algunas especies, razas o individuos por su propia naturaleza, para no pasar determinadas enfermedades, aunque no se haya estado nunca en contacto con el agente causante de la enfermedad.
• Inmunidad Adquirida: Es la que el organismo va adquiriendo a lo largo de la vida, a medida que se encuentra con los patógenos y establece contacto específico con ellos.

Tipos de Inmunidad Adquirida:

• Inmunidad adquirida activa: Es el propio organismo, mediante su sistema inmunitario, el que fabrica anticuerpos ante la presencia del patógeno; bien porque padece la enfermedad que este provoca, o porque se ha sometido a un proceso de vacunación.
• Inmunidad adquirida pasiva: Los anticuerpos no los sintetiza el organismo, sino que proceden de otro.
  • Inmunidad pasiva natural: Cuando el feto recibe anticuerpos maternos a través de la placenta o durante la lactancia.
  • Inmunidad pasiva artificial: Cuando se inyecta a un enfermo un suero que contiene los anticuerpos específicos generados por otros individuos.

Inmunización

Inmunización Pasiva: Sueros

Un suero es un preparado artificial que contiene anticuerpos extraídos de la sangre de animales o de personas a las que previamente se les administró el antígeno. La administración de sueros es un método curativo.

Inmunización Activa: Vacunas

Una vacuna es un preparado que se introduce en el organismo sano e induce al sistema inmunitario a producir anticuerpos. La vacunación es un método preventivo. Los compuestos introducidos en las vacunas carecen de poder patógeno, pero incluyen o generan moléculas con capacidad antigénica. De esta manera, no se sufren los efectos de la enfermedad, pero se crean anticuerpos específicos y células de memoria que pueden volver a actuar en posteriores infecciones.