Reacciones Metabólicas

El metabolismo comprende una serie de reacciones químicas mediante las cuales las células obtienen y utilizan energía. Estas reacciones son esenciales para mantener las concentraciones iónicas y regenerar continuamente las moléculas necesarias para la vida. Se clasifican en:

• Exergónicas: Ocurren de forma espontánea, son reacciones de degradación donde se libera energía. La parte del metabolismo que engloba los procesos de degradación se denomina catabolismo.
• Endergónicas: No se producen de manera espontánea, son reacciones de síntesis. La parte del metabolismo que engloba los procesos de síntesis se denomina anabolismo.

La energía se obtiene de dos formas:

• Absorbiendo la energía solar, que se almacena en forma de energía química.
• Aprovechando la energía que se libera en las reacciones exergónicas.

Enzimas y Rutas Metabólicas

Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas, permitiendo que se produzcan al ritmo necesario para mantener la vida. Las reacciones químicas están organizadas en secuencias denominadas rutas metabólicas, donde el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente, liberando energía y electrones (e-).

Reacciones de Óxido-Reducción (Redox)

Las reacciones redox implican un flujo de electrones de una molécula a otra:

• Oxidación: Una molécula pierde electrones, actuando como dador de electrones.
• Reducción: Una molécula gana electrones, actuando como aceptor de electrones.

Tipos de reacciones redox en el metabolismo:

• Oxidaciones: Transforman grandes moléculas orgánicas (como la glucosa) en moléculas más sencillas o inorgánicas (como CO₂ y H₂O), liberando H⁺ y e^–.
• Reducciones: Son reacciones biosintéticas y endergónicas que necesitan incorporar H⁺ y e^–.

Células Autótrofas

Las células autótrofas se dividen en:

• Quimiosintéticas: Obtienen energía de reacciones químicas.
• Fotosintéticas: Obtienen energía de la luz.

Diferencias entre Catabolismo y Anabolismo

Catabolismo:

1. Fase degradativa: Las moléculas orgánicas complejas se reducen a moléculas más sencillas y oxidadas.
2. Proceso exergónico: Libera energía.
3. Implica la oxidación de moléculas orgánicas.
4. Rutas convergentes.

Anabolismo:

1. Fase constructora: Las moléculas sencillas y oxidadas se utilizan para construir moléculas más complejas y reducidas.
2. Procesos endergónicos.
3. Implica la reducción de moléculas.
4. Rutas divergentes: Generan una gran variedad de productos finales.

Transporte de Electrones

• Nucleótidos de piridina:
  • NAD⁺ (oxidado) y NADH (reducido): Actúan como coenzimas aceptando electrones y H⁺ en reacciones de óxido-reducción. Participan en la síntesis de ATP y en procesos catabólicos. No poseen grupo fosfato.
  • NADP⁺: Participa en reacciones de óxido-reducción en procesos anabólicos, como el ciclo de Calvin. Posee un grupo fosfato.
• Nucleótidos de flavina: FMN (FMNH₂) y FAD (FADH₂): Forman parte de la cadena de transporte electrónico, cediendo sus electrones al O₂ para la síntesis de ATP en procesos catabólicos.
• Coenzima A: Transportador de grupos acilo, dando lugar a acil-CoA (contiene vitamina B5). Transporta el grupo acético al ciclo de Krebs.

Hidrólisis del ATP y Ciclo ATP-ADP

La energía liberada en la hidrólisis del ATP se utiliza para:

• Síntesis de biomoléculas.
• Trabajo mecánico.
• Transporte activo.
• Creación de potenciales de membrana.
• Producción de calor y energía.

Ciclo ATP-ADP: El ATP (3 fosfatos + 1 azúcar + adenina) se transforma en ADP (2 fosfatos + 1 azúcar + adenina) + 1 fosfato libre, liberando energía disponible para el trabajo celular y la síntesis química.

Síntesis de ATP

• A nivel de sustrato: Se utiliza la energía liberada de la hidrólisis de un sustrato para transferir un grupo fosfato al ADP, originando ATP.
• Fosforilación acoplada al transporte de electrones: A través de la cadena respiratoria y fotosintética. A medida que los electrones circulan por las cadenas, pierden energía, que es utilizada por la enzima ATP sintetasa para sintetizar ATP a partir de ADP + Pi. Puede ser fosforilación oxidativa (en la mitocondria) o fotofosforilación (en el cloroplasto).

Aceptores de Electrones

• Aerobias: Utilizan el oxígeno molecular (O₂) como aceptor final de electrones.
• Anaerobias: Células que viven en ausencia de oxígeno. Degradan sus nutrientes utilizando una molécula orgánica como aceptor final de electrones.
• Facultativas: Como las levaduras, que utilizan el O₂ como aceptor final y, en su ausencia, oxidan las moléculas orgánicas por vía anaerobia.

Glucogenólisis

La glucogenólisis es la degradación del glucógeno. La enzima glucógeno fosforilasa cataliza la rotura de los enlaces O-glucosídicos α(1-4) por introducción de un fosfato inorgánico, obteniendo moléculas de glucosa-1-fosfato. Cuando solo quedan cuatro glucosas, interviene la enzima α(1-6) glucosidasa, que transfiere tres glucosas a un extremo e hidroliza la ramificación α(1-6) del glucógeno. Las moléculas de glucosa-1-fosfato se convierten en glucosa-6-fosfato.

Oxidación de la Glucosa

Fase 1: La glucosa se oxida en una ruta metabólica llamada glucólisis, liberando ATP y dos moléculas de ácido pirúvico.

Fase 2: El ácido pirúvico se oxida de dos formas:

• Condiciones anaerobias: Fermentación, donde se convierte en otras moléculas más sencillas, siendo el aceptor de electrones una molécula orgánica.
• Condiciones aerobias: Respiración celular, donde el ácido pirúvico se oxida a CO₂ y H₂O, utilizando O₂ como aceptor final de electrones.

Glucólisis

La glucólisis es el proceso por el cual una molécula de glucosa se degrada a dos moléculas de ácido pirúvico, liberando 2 ATP y 2 NADH + H⁺. Es un proceso catabólico y anaerobio, constituyendo una ruta común en la degradación de la glucosa para células aerobias y anaerobias.

Etapas clave de la glucólisis:

• La glucosa es fosforilada dos veces, convirtiéndose en fructosa, con un gasto de 2 ATP.
• La fructosa se divide en dos triosas fosforiladas: gliceraldehído-3-fosfato (G3P) y dihidroxiacetona fosfato (DHAP), que luego se convierte en G3P.
• Los dos G3P son oxidados con NAD⁺ y fosforilados con Pi, formando dos moléculas de ácido 1,3-difosfoglicérico.
• Las dos moléculas de ácido 1,3-difosfoglicérico se transforman en dos moléculas de ácido pirúvico, obteniéndose 4 ATP.

Fermentación

La fermentación es un proceso metabólico que tiene lugar en el citoplasma, donde las células obtienen energía en condiciones anaerobias por oxidación de la glucosa. Sus características principales son:

• El aceptor final de electrones es una molécula orgánica, no el O₂.
• La degradación de la glucosa no es completa.
• El rendimiento energético es de 2 ATP por molécula de glucosa.

Tipos de fermentación:

• Láctica: (Bacterias ácido-lácticas) El ácido pirúvico, en condiciones anaerobias, se convierte en ácido láctico, aceptando los electrones del NADH + H⁺ producido en la glucólisis y reduciéndose a ácido láctico. (Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 Ácido láctico + 2 ATP)
• Alcohólica: (Levaduras) El piruvato sufre una descarboxilación, perdiendo una molécula de CO₂ y transformándose en acetaldehído, que es reducido a etanol por el NADH + H⁺ obtenido en la glucólisis. (Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 Etanol + 2 CO₂ + 2 ATP)