Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren dentro de la célula, cuya función principal es la obtención de energía y la síntesis de sustancias necesarias para el crecimiento y la renovación de las estructuras celulares.

Tipos de Metabolismo

• Catabolismo: Reacciones de oxidación que liberan energía (ATP). Es un proceso destructivo de degradación, donde moléculas orgánicas complejas y reducidas se transforman en moléculas sencillas y oxidadas. La energía liberada se almacena en forma de ATP y coenzimas reducidas.
• Anabolismo: Reacciones de reducción que consumen energía (ATP). Es un proceso constructivo de síntesis.

Procesos Metabólicos Específicos

• Glucógenolisis: Proceso catabólico que degrada el glucógeno a glucosa. Se produce cuando el organismo necesita un aumento de glucosa. Se lleva a cabo en el citosol.
• Glucógenogénesis: Síntesis de glucógeno, una ruta anabólica que sintetiza glucógeno a partir de glucosa. Se realiza en el citosol de las células del hígado y, a veces, en las musculares.
• Gluconeogénesis: Ruta anabólica que sintetiza glucosa a partir de compuestos orgánicos no glucídicos como el ácido láctico, aminoácidos y glicerol. Ocurre en el citosol de las células del hígado y ayuda a mantener los niveles de glucosa en sangre.

Rutas Metabólicas

Una ruta metabólica es una sucesión de reacciones químicas catalizadas por enzimas.

• Coenzimas: Moléculas que actúan como transportadores de electrones en las reacciones redox (ej. NAD+/NADH+H+, NADP+/NADPH+H+, FAD/FADH2).
• ATP: La energía se obtiene por fosforilación oxidativa (utilizando la energía de otra molécula al romperse) o por ATP sintasas (enzimas que sintetizan ATP en la membrana mitocondrial interna).

Tipos de Metabolismo según la Fuente de Energía y Carbono

• Fotoautótrofos: Utilizan la luz solar como fuente de energía y el CO2 como fuente de carbono.
• Fotoheterótrofos: Utilizan la luz solar como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de carbono.
• Quimioautótrofos: Utilizan reacciones de oxidación como fuente de energía y el CO2 como fuente de carbono.
• Quimioheterótrofos: (Animales) Utilizan reacciones de oxidación como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de carbono.

Rutas Catabólicas

• Respiración Celular: El sustrato se oxida completamente, liberando ATP. Puede ser aeróbica (aceptor final de electrones: O2) o anaeróbica (aceptor final de electrones: compuesto inorgánico).
• Fermentaciones: Oxidación incompleta del sustrato, se obtiene un compuesto orgánico, se libera menos energía. El aceptor final es un compuesto orgánico.

Cadena de Transporte de Electrones

La cadena de transporte de electrones se lleva a cabo en la membrana mitocondrial interna, donde se encuentran proteínas. El O2 es el aceptor final de electrones (proceso aeróbico).

• Proceso: Coenzimas con poder reductor entran, liberan electrones que llegan al O2, el cual se reduce a H2O. Los electrones generan un gradiente electroquímico de H+ por fosforilación oxidativa, generando ATP.
• Transporte de Electrones: Los electrones proceden de coenzimas reducidas, que al oxidarse pasan al complejo I. Este se reduce y los transfiere a los siguientes, oxidándose. El paso de electrones atrae H+ que son bombeados al espacio intermembranoso. El FADH2 cede electrones al complejo II. Los electrones de los complejos I y II pasan al III, luego al citocromo c y finalmente al complejo IV. El aceptor final de los electrones del complejo IV es el O2, reduciéndose a H2O.
• Generación de ATP: Se generan H+ en las reacciones redox, acumulándose en el espacio intermembranoso. El gradiente electroquímico resultante impulsa el bombeo de H+ a través de los canales con enzimas ATP sintasas. Los H+ pasan a favor del gradiente (quimiosmosis) a través de las ATP sintasas, liberando energía para fosforilar el ADP a ATP.
• Balance Energético: 1 NADH = 3 ATP, 1 FADH2 = 2 ATP. En resumen, 1 glucosa = 38 ATP (34 en la cadena de electrones, 2 en la glucólisis y 2 en el ciclo de Krebs).

Fermentaciones

Las fermentaciones son procesos anaeróbicos que ocurren en el citosol, donde los compuestos orgánicos se oxidan incompletamente.

• Fermentación Láctica: El ácido pirúvico es el aceptor final. Típica de bacterias y células musculares esqueléticas cuando no reciben suficiente O2.
• Fermentación Alcohólica: El acetaldehído es el aceptor final. Típica de levaduras (Saccharomyces).
• Función: Regenerar coenzimas oxidadas para la glucólisis.

Catabolismo de Lípidos

Los triglicéridos se hidrolizan a glicerol y ácidos grasos. Los ácidos grasos se activan en el citosol uniéndose a CoA, consumiendo 2 ATP, y se introducen en las mitocondrias a través de la carnitina para la beta oxidación.

• Beta Oxidación: Degradación por etapas de los ácidos grasos para formar acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs. Ocurre en la matriz mitocondrial (animales) y en los peroxisomas (vegetales).
• Rendimiento: Un ácido graso de diez carbonos forma cinco acetil-CoA en cuatro etapas (78 ATP).

Rutas Anabólicas

• Autótrofas: Fotosíntesis o quimiosíntesis.
• Heterótrofas: A partir de moléculas orgánicas.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual la energía solar se transforma en energía química, produciendo la biosíntesis de moléculas orgánicas. La energía no utilizada se almacena en moléculas energéticas como el ATP.

Pigmentos Fotosintéticos

(PSI (P700) / PSII (P680)) Son moléculas capaces de capturar fotones, que contienen un cromatóforo capaz de absorber la luz a diferente longitud de onda (clorofilas A y B, xantofilas y carotenoides).

• Fotosistemas I y II: Formados por la agrupación de pigmentos fotosintéticos y proteínas, ubicados en la membrana de los tilacoides.
• Complejo Antena: Absorbe la energía de la luz a diferentes longitudes de onda y la transmite hacia el centro de reacción, donde la clorofila A se oxida y cede electrones.
• Proceso: Los fotones inciden sobre el fotosistema, excitando los electrones de la clorofila. La clorofila A es el dador de electrones, y al oxidarse, deja un hueco electrónico que se rellena con electrones provenientes del H2O, que se oxida a O2.

Fases de la Fotosíntesis

• Fase Luminosa: Ocurre en la membrana de los tilacoides en presencia de luz.
  • Proceso: Los pigmentos fotosintéticos captan la energía de la luz y la transforman en energía química (poder reductor y energía). Se libera O2 (procedente de la hidrólisis del H2O).
  • Fases:
    • Acíclica: Se obtiene ATP, NADPH y se libera O2.
    • Cíclica: Únicamente se obtiene ATP.
• Fotofosforilación No Cíclica (Oxigénica): Participan los dos fotosistemas, generando ATP, NADPH y O2.
  • Proceso: La luz incide sobre el fotosistema II, los pigmentos del complejo antena transfieren la energía al centro de reacción, y la clorofila P680 desprende electrones. Los electrones pasan por una cadena de transporte (esquema en Z) entre ellos la plastoquinona, que reduce e introduce H+ en el tilacoide, el citocromo b6f y la plastocianina. Al pasar de una molécula a otra, los electrones pierden energía. Al llegar al fotosistema I, necesitan nueva energía (luz). Los electrones de la clorofila P700 se desprenden y se transfieren a otras moléculas hasta llegar a la NADP reductasa.
  • Reducción del NADP+ y Fotólisis del H2O: Los electrones del fotosistema I son captados por otras moléculas y transferidos al NADP+, formando NADPH + H+ (poder reductor). La NADP reductasa recibe los electrones y los transfiere al NADP, reduciéndolo a NADPH. La clorofila P700 del fotosistema I ha perdido electrones, que son repuestos por los electrones del fotosistema II. El fotosistema II necesita recuperar electrones, y el H2O los proporciona, oxidándose y liberando O2.
  • Fotofosforilación: El paso de electrones genera un flujo de H+ del estroma al interior del tilacoide, acumulándose. Se genera un gradiente electroquímico. El flujo de H+ a favor del gradiente (del espacio tilacoidal al estroma) a través de la ATP sintasa genera ATP. Por cada dos electrones que se mueven por la cadena, se acumulan dos H+ (plastoquinona) y dos H+ (fotólisis del H2O) en el interior del tilacoide. Los H+ vuelven al estroma gracias a la ATP sintasa, que aprovecha ese flujo para generar ATP.
• Fotofosforilación Cíclica (Anoxigénica):
  • Proceso: Para fijar seis moléculas de CO2 en una molécula de glucosa en la fase oscura, se necesitan 18 ATP y 12 NADPH + H+. Se aumenta el gradiente electroquímico de H+ sin obtener más O2 ni NADPH. Interviene el fotosistema I, desprendiendo electrones de la clorofila P700, que pasan a la ferredoxina. Esos electrones vuelven al citocromo b6f y la plastoquinona, que transporta H+ al lumen del tilacoide. La plastocianina devuelve los electrones a la clorofila P700 del fotosistema I, cerrando el ciclo.
• Fase Oscura (Ciclo de Calvin): Ocurre en el estroma, es independiente de la luz.
  • Proceso: Reducción de moléculas inorgánicas (CO2) para obtener glucosa y otras moléculas orgánicas, utilizando la energía producida en la fase luminosa.
  • Ciclo de Calvin: El CO2 es fijado por la ribulosa-1,5-bifosfato, dando un compuesto de seis átomos de carbono inestable que se rompe en dos moléculas de tres átomos de carbono. Esta reacción es catalizada por la enzima ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (rubisco). Tras una serie de reacciones que necesitan poder reductor y ATP (fase luminosa), se obtienen dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato, que es el producto final. Este ciclo se repite seis veces (1 por cada CO2) para formar una glucosa.
  • Destino del Gliceraldehído-3-Fosfato: Se incorpora a las rutas del metabolismo celular para fabricar glucosa y fructosa, para la síntesis de polisacáridos (almidón y celulosa), para regenerar las moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato y para la síntesis de ácidos grasos y aminoácidos.

Factores que Influyen en la Fotosíntesis

La concentración de CO2, la intensidad luminosa, la concentración de O2, la temperatura y la escasez de H2O.

Tipos de Fotosíntesis

• Fotosíntesis Oxigénica: Propia de plantas superiores, algas y cianobacterias. El dador de electrones es el H2O, y se libera O2.
• Fotosíntesis Anoxigénica: Realizada por bacterias púrpuras y verdes del azufre. El dador de electrones es el sulfuro de hidrógeno, y no se libera O2, sino azufre.

Quimiosíntesis

Proceso mediante el cual ciertos organismos sintetizan compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos, utilizando ATP liberada en reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos reducidos. Lo realizan las bacterias del nitrógeno.