Ejercicio resuelto de Metabolismo celular · Biología · 2022

El verano de 2019 fue muy seco y caluroso.

1. A causa de esta fuerte sequía, algunas plantas de los bosques de la Cataluña central se secaron. [1 punto]

Fuente: Fotografía de Marcel Costa.
a) Indique la reacción global de la fotosíntesis y justifique la importancia del agua para el metabolismo de las plantas.
b) Cuando las plantas pierden las hojas, obtienen energía de sus sustancias de reserva energética. A partir de esta información, responda a las preguntas siguientes:

¿Cuál es la principal biomolécula de reserva energética en los vegetales? ¿A qué grupo de biomoléculas pertenece? ¿Qué molécula es el monómero de esta biomolécula de reserva? ¿Cuáles son los tipos de enlaces entre los monómeros de esta biomolécula de reserva?

2. Coincidiendo con esta sequía, hubo un brote de botulismo aviar que causó la muerte de diversas aves acuáticas en ríos de la Cataluña central. La bacteria causante del botulismo es Clostridium botulinum, la cual puede proliferar en aguas cálidas y estancadas con un bajo contenido de oxígeno. [1 punto]

Fuente: https://www.mathsteacher.com.au/.
a) El gráfico anterior muestra la curva de crecimiento de Clostridium botulinum en condiciones óptimas. A partir de sus conocimientos y de los datos del gráfico, complete la tabla siguiente:

Nombre del proceso de reproducción de Clostridium botulinum Número aproximado de bacterias al cabo de 90 minutos Número aproximado de bacterias al cabo de 3 horas Porcentaje de aumento de la población de bacterias entre los 90 minutos y las 3 horas de crecimiento. (Indique los cálculos.)

b) Clostridium botulinum es una bacteria grampositiva, anaerobia fermentadora estricta y quimioheterótrofa. A partir de esta información, complete la tabla siguiente:

Características metabólicas de Clostridium botulinum Fuente de carbono: Fuente de energía: Vías metabólicas a partir de las cuales obtiene energía (indíquelas con una cruz): Glucólisis □ / Ciclo de Krebs □ / Fermentación □ / Fosforilación oxidativa □ / Fotofosforilación □ Justificación de las vías metabólicas marcadas: Estructura de la pared bacteriana: Coloración resultante de la tinción de Gram:

$\textbf{1. A causa de esta fuerte sequía, algunas plantas de los bosques de la Cataluña central se secaron. (1 punto)}$

$\textbf{a) Indique la reacción global de la fotosíntesis y justifique la importancia del agua para el metabolismo de las plantas.}$

La reacción global de la fotosíntesis, sumando la fase luminosa y el ciclo de Calvin, es:

$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{luz} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$

El agua no es aquí un mero disolvente: es uno de los reactivos, y su papel es doble.

En la fase luminosa el agua es el dador de electrones. La fotólisis la rompe y aporta los electrones que reponen los que el fotosistema II ha perdido al excitarse con la luz, los protones que alimentan el gradiente electroquímico del tilacoide y el oxígeno que se desprende a la atmósfera. Sin agua no hay fotólisis, no se obtienen ATP ni NADPH y, en consecuencia, se detiene también el ciclo de Calvin, que los consume: la planta deja de fabricar materia orgánica.

Más allá de la fotosíntesis, el agua es imprescindible para el resto del metabolismo. Es el medio en el que transcurren todas las reacciones y el disolvente de las sales minerales y de los gases; transporta la savia bruta desde la raíz hasta las hojas, gracias a su cohesión y a su adhesión a las paredes de los vasos, y la savia elaborada por el floema; mantiene la turgencia de las células, porque es la presión del agua de la vacuola contra la pared la que sostiene los tejidos no leñosos, de modo que al faltar la planta se marchita; e interviene en la regulación térmica, ya que su elevado calor específico y de vaporización hacen que la transpiración refrigere las hojas.

Hay además un efecto indirecto que agrava la sequía: para no perder agua, la planta cierra los estomas, y al hacerlo impide también la entrada de dióxido de carbono. La fotosíntesis queda entonces frenada por partida doble, por falta de agua y por falta de dióxido de carbono, y la planta acaba secándose.

$\textbf{b) A partir de esta información, responda a las preguntas siguientes:}$

Cuestión	Respuesta ¿Cuál es la principal biomolécula de reserva energética en los vegetales?	El almidón. ¿A qué grupo de biomoléculas pertenece?	A los glúcidos, y dentro de ellos a los polisacáridos. Es un homopolisacárido, porque todos sus monómeros son iguales. ¿Qué molécula es el monómero de esta biomolécula de reserva?	La glucosa, concretamente la $\alpha$-D-glucosa en su forma de piranosa. ¿Cuáles son los tipos de enlaces entre los monómeros de esta biomolécula de reserva?	Enlaces O-glucosídicos de dos tipos. Los $\alpha(1\rightarrow 4)$ forman las cadenas lineales, que son las únicas que hay en la amilosa y constituyen también el esqueleto de la amilopectina; los $\alpha(1\rightarrow 6)$ aparecen cada veinticinco o treinta unidades en la amilopectina y son los que originan las ramificaciones. Que el enlace sea $\alpha$ y no $\beta$ es justo lo que hace la cadena helicoidal y compacta, y lo que permite que los enzimas de la planta la movilicen deprisa.

$\textbf{2. La bacteria causante del botulismo es Clostridium botulinum, la cual puede proliferar en aguas cálidas y estancadas con un bajo contenido de oxígeno. (1 punto)}$

$\textbf{a) A partir de sus conocimientos y de los datos del gráfico, complete la tabla siguiente:}$

Cuestión	Respuesta Nombre del proceso de reproducción de Clostridium botulinum	La bipartición o fisión binaria, una reproducción asexual en la que la bacteria replica su cromosoma circular y se divide en dos células hijas genéticamente idénticas a ella. Número aproximado de bacterias al cabo de 90 minutos	Unas $5\,000$ bacterias. Número aproximado de bacterias al cabo de 3 horas	Tres horas son $180$ minutos, y en el gráfico corresponden a unas $40\,000$ bacterias. Porcentaje de aumento de la población de bacterias entre los 90 minutos y las 3 horas de crecimiento	$\dfrac{40\,000 - 5\,000}{5\,000}\cdot 100 = \dfrac{35\,000}{5\,000}\cdot 100 = 700\,\%$

Es decir, la población se multiplica por ocho en hora y media, lo que equivale a un aumento del $700\,\%$. Conviene leer ese ocho como $2^3$: la población se ha duplicado tres veces en $90$ minutos, de modo que el tiempo de generación de esta bacteria en condiciones óptimas es de unos $30$ minutos. El gráfico lo confirma punto por punto: unas $10\,000$ bacterias a los $120$ minutos, $20\,000$ a los $150$ y $80\,000$ a los $210$. La curva es exponencial precisamente porque en cada intervalo se duplica lo que hay, no porque se añada una cantidad fija.

$\textbf{b) A partir de esta información, complete la tabla siguiente:}$

Características metabólicas de Clostridium botulinum	Respuesta Fuente de carbono	La materia orgánica ya elaborada que toma del medio, porque es heterótrofa. No puede fijar el dióxido de carbono. Fuente de energía	Las reacciones químicas de oxidación de esa misma materia orgánica, porque es quimiótrofa. Uniendo los dos criterios resulta quimioheterótrofa, o quimioorganótrofa. Vías metabólicas a partir de las cuales obtiene energía	Glucólisis y fermentación. No emplea el ciclo de Krebs, ni la fosforilación oxidativa, ni la fotofosforilación. Justificación de las vías metabólicas marcadas	Es una bacteria anaerobia estricta, de modo que no puede utilizar el oxígeno como aceptor final de electrones; de hecho el oxígeno le resulta tóxico. Sin ese aceptor no puede funcionar la cadena de transporte electrónico y, con ella, queda descartada la fosforilación oxidativa; y como los coenzimas reducidos no se reoxidan, el ciclo de Krebs se detiene enseguida por falta de NAD+. Le quedan la glucólisis, que no necesita oxígeno y le rinde dos ATP por molécula de glucosa por fosforilación a nivel de sustrato, y la fermentación, que no produce ATP pero regenera el NAD+ imprescindible para que la glucólisis pueda continuar. La fotofosforilación queda descartada por otro motivo: exige clorofila y luz, y esta bacteria no es fotosintética sino quimiótrofa. Estructura de la pared bacteriana	Al ser grampositiva, tiene una pared gruesa formada por muchas capas superpuestas de peptidoglicano o mureína, atravesada por ácidos teicoicos y lipoteicoicos, y sin membrana externa por encima. Coloración resultante de la tinción de Gram	Violeta o azul morado: la pared gruesa retiene el complejo de cristal violeta y yodo durante el lavado con alcohol y la bacteria no llega a teñirse con el colorante de contraste.

Todo encaja con el escenario que describe el enunciado: aguas cálidas, estancadas y pobres en oxígeno son justamente las condiciones en las que una anaerobia estricta como esta puede proliferar sin competencia.