Introducción

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que suceden en el interior de las células, transformando unas moléculas en otras. Estas reacciones son esenciales para obtener materia y energía, permitiendo a las células llevar a cabo sus funciones vitales.

Nutrición Celular

La nutrición celular es el proceso por el cual la célula toma energía y materia del exterior para fabricar sus propias estructuras y obtener energía para realizar sus funciones.

Catabolismo: Descomposición y Liberación de Energía

El catabolismo es un conjunto de reacciones de oxidación en las que las sustancias complejas se descomponen en otras más simples, liberando energía. Estas reacciones son exotérmicas, es decir, liberan calor. Parte de la energía liberada se almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato), mientras que otra parte se libera como calor.

El catabolismo incluye procesos como la respiración aeróbica y anaeróbica, así como la fermentación.

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es una serie de reacciones que ocurren en la matriz mitocondrial. En este ciclo, el ácido pirúvico, proveniente del citosol, se descarboxila oxidativamente para formar acetil-CoA y CO₂. Aunque se obtiene algo de energía en este proceso, la mayor parte de la energía del catabolismo de los glúcidos se obtiene mediante la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa.

Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

La cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa son los procesos principales donde se obtiene energía a partir del poder reductor NADH+H⁺ y FADH₂, obtenidos en el ciclo de Krebs. Estas moléculas ceden sus electrones a moléculas aceptoras de la cadena respiratoria, ubicadas en la membrana mitocondrial interna.

Los transportadores de electrones en la cadena respiratoria pueden existir en dos estados:

• Reducido: Reciben electrones de otro par con un potencial de reducción más electronegativo.
• Oxidado: Ceden electrones a otro par con un potencial de reducción menos electronegativo.

En cada transferencia de electrones de un par redox a otro, se libera energía que se utiliza para producir ATP, proceso conocido como fosforilación oxidativa. Este proceso se explica por la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, que propone que la energía liberada en el transporte de electrones por la cadena respiratoria se utiliza para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso. Los protones luego son bombeados de nuevo a la matriz a través de un canal formado por las partículas F con actividad ATP sintetasa. Por cada tres H⁺ que fluyen a través de este canal, se forma un ATP. Por cada NADH+H⁺ se forman 3 ATP, mientras que por cada FADH₂ se producen 2 ATP.

Catabolismo de Proteínas

Para obtener energía de los aminoácidos, estos se oxidan en tres pasos:

1. Desaminación: Pérdida del grupo amino del aminoácido, liberando NH₃ y obteniendo un esqueleto carbonatado.
2. Transformación del esqueleto carbonatado en acetil-CoA, que entra al ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.
3. Excreción de los grupos NH₃: Si se acumulan en el citosol, serían muy tóxicos porque aumentarían el pH. Por lo tanto, el NH₃ se elimina tras ser transformado en otras sustancias.

Fermentación: Catabolismo Anaeróbico

La fermentación es un proceso catabólico en el que no interviene la cadena respiratoria y el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico. Por lo tanto, entre sus productos finales se produce algún compuesto orgánico.

Fermentación Láctica

La fermentación láctica se produce en bacterias. El ácido láctico producido a partir de la lactosa de la leche disminuye el pH del medio, coagula la caseína (se desnaturaliza y forma el yogur, el queso, etc.). En los músculos, si no llega suficiente oxígeno, se produce la fermentación, produciéndose cristales de ácido láctico (agujetas). La fermentación láctica produce 2 ATP por molécula de glucosa, mientras que la respiración celular aeróbica produce 38 ATP.

Fermentación Alcohólica

Las levaduras son microorganismos anaeróbicos facultativos. Si hay oxígeno, realizan la respiración celular, pero si no hay oxígeno, realizan la fermentación. La fermentación alcohólica produce etanol y CO₂, procesos utilizados en la elaboración de pan, vino, etc.

Anabolismo: Síntesis de Moléculas Complejas

El anabolismo es un conjunto de reacciones en las que se sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas sencillas. El anabolismo puede ser autótrofo o heterótrofo.

Fotosíntesis Oxigénica: Anabolismo Autótrofo

La fotosíntesis oxigénica es un proceso anabólico autótrofo en el que las células de las plantas verdes, algas y cianobacterias, utilizando agua y CO₂ como nutrientes y gracias a la energía lumínica, forman sus propias moléculas orgánicas. La ecuación general de la fotosíntesis es:

6 H₂O + 6 CO₂ + energía luminosa → C₆H₁₂O₆ (glucosa) + 6 O₂

La fotosíntesis se divide en dos fases:

Fase Luminosa

En la fase luminosa, la energía lumínica se captura por los pigmentos fotosintéticos (clorofila a, clorofila b, etc.) y se utiliza para producir ATP y NADPH+H⁺. Esta fase requiere luz.

Fase Oscura

En la fase oscura, se utiliza el ATP y NADPH+H⁺ producidos en la fase luminosa para producir materia orgánica (glucosa, aminoácidos, ácidos grasos) a partir de materia inorgánica (CO₂ como fuente de carbono, nitritos o nitratos como fuente de nitrógeno, sulfatos como fuente de azufre). Esta fase no necesita luz y se conoce como el ciclo de Calvin.

Por cada CO₂ incorporado, se necesitan 3 ATP y 2 NADPH+H⁺. Las plantas que siguen el ciclo de Calvin se denominan plantas C3, porque producen un compuesto de 3 carbonos (ácido fosfoglicérico) en el ciclo.

Factores que Afectan a la Fotosíntesis

La fotosíntesis se ve afectada por varios factores:

• Intensidad luminosa: Cada especie está adaptada a vivir en un intervalo de intensidad luminosa.
• Concentración de CO₂: Si la intensidad luminosa es elevada y constante, a mayor concentración de CO₂, mayor rendimiento fotosintético, hasta llegar a un límite de saturación.
• Temperatura: Cada especie está adaptada a vivir en un intervalo de temperatura.
• Escasez de agua: La escasez de agua puede afectar la fotosíntesis, ya que los estomas se cierran para evitar la pérdida de agua, lo que reduce la entrada de CO₂.

Fotorrespiración

La fotorrespiración es una modificación del ciclo de Calvin que presentan las plantas que viven en zonas muy cálidas y secas. Sus estomas se mantienen cerrados para evitar la pérdida de agua, lo que provoca la acumulación de oxígeno producido durante la fotosíntesis y la reducción de la entrada de CO₂. La fotorrespiración reduce la capacidad fotosintética de la planta al 50%, pero es una adaptación que permite a la planta sobrevivir en condiciones de sequía.

Fotosistemas: Unidades de Captura de Luz

Los fotosistemas son unidades de captura de luz formados por:

• Antena: Contiene distintos pigmentos fotosintéticos (clorofila a, clorofila b, etc.) que captan la energía luminosa.
• Centro de reacción: Formado por dos moléculas de clorofila a diana que reciben la energía de los pigmentos de la antena. El centro de reacción también contiene un primer aceptor de electrones, al que la clorofila a diana transfiere sus electrones, y un primer dador de electrones, al que el primer aceptor de electrones transfiere sus electrones.