Metabolismo Celular: Definición y Procesos Fundamentales
Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas que se dan en un organismo (célula). Se divide en dos grandes tipos de reacciones:
Catabolismo
- Proceso de degradación: Se pasa de moléculas grandes a pequeñas (se rompen moléculas).
- Liberación de energía: Normalmente se genera ATP a partir de ADP.
- Aumento de la entropía: Disminuye el orden y la información.
Anabolismo
- Proceso de síntesis: Se pasa de moléculas pequeñas a grandes (se construyen moléculas).
- Necesidad de energía: Normalmente se consume ATP para generar ADP.
- Disminución de la entropía: Aumenta el orden y la información.
Catabolismo de la Glucosa: Vías Energéticas
El catabolismo de la glucosa ocurre en cuatro etapas principales:
- Glucólisis en el citosol.
- Descarboxilación oxidativa (etapa intermedia).
- Ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial.
- Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa en las crestas mitocondriales (membrana interna de la mitocondria).
1. Glucólisis
Ocurre en el citoplasma.
Reacción general: $\text{Glucosa} + 2 \text{ ADP} + 2 \text{ NAD}^+ \rightarrow 2 \text{ piruvato} + 2 \text{ ATP} + 2 \text{ NADH} + 2 \text{ H}^+ + 2 \text{ H}_2\text{O}$.
Como por cada glucosa se forman 2 piruvatos, en esta fase se obtienen 2 NADH por cada glucosa.
3. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)
Se da en la matriz mitocondrial.
Entra un grupo Acetil CoA que es oxidado completamente (salen del ciclo dos carbonos en forma de $\text{CO}_2$).
Por cada vuelta del ciclo se producen:
- Tres moléculas de $\text{NAD}^+$ reducidas a $\text{NADH}$.
- Una molécula de $\text{FAD}$ reducida a $\text{FADH}_2$.
- Una molécula de $\text{GTP}$ (equivalente al $\text{ATP}$).
Considerando que de cada glucosa se obtienen 2 Acetil CoA:
- Por cada glucosa se obtienen: 6 $\text{NADH}$, 2 $\text{FADH}_2$, 2 $\text{GTP}$ y 4 $\text{CO}_2$.
4. Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa
Se da en la membrana interna de la mitocondria.
La energía liberada en los complejos I, III y IV de la cadena respiratoria se emplea en bombear protones ($\text{H}^+$) desde la matriz hacia el espacio intermembranoso, creando un gradiente electroquímico.
La vuelta de los protones hacia la matriz, a favor de gradiente, se realiza a través del complejo $\text{ATP}$-sintetasa y libera energía que se utiliza para producir $\text{ATP}$.
Etapas clave:
- Transporte de electrones.
- Bombeo de protones.
- Formación de $\text{ATP}$.
Fermentación (Proceso Anaeróbico)
La fermentación es un proceso anaeróbico que consiste en la oxidación parcial de la glucosa, obteniéndose solo 2 moléculas de $\text{ATP}$.
Fermentación Alcohólica
Ocurre en la formación de bebidas alcohólicas y el pan.
Reacción global: $\text{Glucosa} + 2 \text{ ADP} \rightarrow 2 \text{ etanol} + 2 \text{ CO}_2 + 2 \text{ ATP} + 2 \text{ H}_2\text{O}$.
Fermentación Láctica
Ocurre en la fabricación de yogures y en nuestras células musculares cuando el aporte de oxígeno es insuficiente.
Reacción general: $\text{Glucosa} + 2 \text{ ADP} \rightarrow 2 \text{ lactato} + 2 \text{ H}^+ + 2 \text{ ATP} + 2 \text{ H}_2\text{O}$.
Catabolismo de Ácidos Grasos: $\beta$-Oxidación
La $\beta$-oxidación es un proceso catabólico de los ácidos grasos en el cual sufren sustracción de un par de átomos de carbono sucesivamente en cada ciclo del proceso, hasta que el ácido graso se descompone por completo en forma de moléculas de $\text{Acetil-CoA}$, que serán posteriormente catabolizadas en el ciclo de Krebs para generar energía química en forma de $\text{ATP}$.
La $\beta$-oxidación de ácidos grasos consta de cuatro reacciones recurrentes:
- Oxidación.
- Hidratación.
- Oxidación.
- Tiolisis.
Catabolismo de Proteínas
- En el estómago: $\text{Proteína} + \text{pepsina} + \text{HCl} \rightarrow \text{Aminoácidos}$.
- Se elimina el grupo amino ($\text{NH}_2$) de los aminoácidos, lo que dará lugar a $\text{NH}_3$, ácido úrico o urea (según el tipo de excreción).
- El resto del aminoácido se llama esqueleto hidrocarbonado y entrará a distintas rutas metabólicas por un proceso llamado transaminación (catalizado por transaminasas). Al final de este proceso se forman metabolitos (no siempre $\text{Acetil-CoA}$) que irán al ciclo de Krebs.
Anabolismo: La Fotosíntesis
Reacción general: $6 \text{ CO}_2 + 6 \text{ H}_2\text{O} + \text{luz} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{ O}_2$.
La fotosíntesis ocurre en dos etapas que se dan de forma complementaria:
1. Fase Luminosa
Es necesaria la luz.
Cuando la energía de la luz es captada por las moléculas de clorofila, los electrones excitados son recogidos por proteínas transportadoras. Algunas de estas proteínas asocian el transporte electrónico a un bombeo de protones ($\text{H}^+$) desde el estroma del cloroplasto al interior del espacio tilacoide.
La vuelta de los hidrogeniones al estroma se acopla a la síntesis de $\text{ATP}$ a partir de $\text{ADP}$ y ácido fosfórico, de forma análoga a lo que ocurre en las crestas mitocondriales durante la respiración celular.
Este proceso de formación de $\text{ATP}$, impulsado por la luz, incluye dos procesos simultáneos:
- A. La fosforilación no cíclica: Donde se produce $\text{ATP}$ a partir de $\text{ADP}$ y $\text{NADPH}$ a partir de $\text{NADP}^+$ en una cadena de transporte de electrones que provienen de la hidrólisis del $\text{H}_2\text{O}$.
- La fosforilación cíclica: En la fase luminosa se producen la misma cantidad de $\text{NADPH}$ que de $\text{ATP}$. Sin embargo, en la fase oscura se necesita más $\text{ATP}$ que $\text{NADPH}$, por este motivo el cloroplasto fabrica el $\text{ATP}$ extra mediante este proceso que ocurre de manera simultánea a la fosforilación no cíclica.
2. Fase Oscura (Ciclo de Calvin)
No es necesaria la luz directamente, pero sí necesita de la etapa luminosa (es decir, a oscuras no se puede dar).
El $\text{ATP}$ y el $\text{NADPH}$ producidos en las reacciones luminosas se utilizan como fuente de energía y de poder reductor, respectivamente, para convertir el $\text{CO}_2$ en azúcares y otras biomoléculas orgánicas.
Las reacciones metabólicas de esta segunda etapa se denominan Ciclo de Calvin, el cual tiene lugar en el estroma de los cloroplastos o en el citoplasma de las células procarióticas fotosintéticas.
En su estudio se suelen distinguir tres etapas:
- Fijación del $\text{CO}_2$.
- Fase de reducción.
- Regeneración de la Ribulosa 1,5 bifosfato.
Al final se genera gliceraldehído-3-fosfato que se utiliza para formar glucosa y otras moléculas orgánicas. En el esquema del ciclo, las moléculas necesarias para la formación de una molécula completa de glucosa son: $6 \text{ CO}_2$, $18 \text{ ATP}$ y $12 \text{ NADPH}$.
Herramientas de Biotecnología y Conceptos Genómicos
Técnicas de Regulación Génica
- ARN de interferencia (ARNi): Doble cadena de ARN que permite el silenciamiento postranscripcional de genes. Se unen al $\text{ARNm}$ (del gen diana), conduciendo a su degradación e impidiendo así su traducción en proteínas.
- Micro-ARNs (miRNAs): Son un tipo de ARN de interferencia. Pequeños ARN que no codifican proteínas, pero son reguladores de la expresión génica. Tienen la capacidad de unirse a los $\text{ARNm}$ para impedir la síntesis proteica. Son una herramienta con gran potencial para el tratamiento de múltiples enfermedades.
Técnicas de Amplificación y Edición Genética
- PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa): Es una reacción enzimática in vitro que amplifica millones de veces una secuencia específica de $\text{ADN}$ durante varios ciclos, utilizando la enzima $\text{ADN}$ polimerasa. Si se usa como sustrato $\text{ADN}$ genómico, se habla de $\text{PCR}$. Si se usa $\text{ADNc}$ (proveniente del $\text{ARNm}$), se conoce como $\text{RT-PCR}$ (Transcriptasa Inversa-PCR).
- CRISPR-Cas9: Basado en un sistema inmunitario bacteriano, es un sistema simple, rápido, potente y económico de editar genes. Consta de un $\text{ARN}$ guía —creado artificialmente con la secuencia complementaria del “$\\text{ADN}$ diana”—, asociado a la proteína $\text{Cas}$ (descubierto por Francisco M. Mojica).
- ADN Recombinante: Es un $\text{ADN}$ mixto porque proviene de la unión de $\text{ADN}$ distintos. Se unen fragmentos de $\text{ADN}$ provenientes de diferentes organismos que han podido ser cortados con enzimas de restricción.
- Ingeniería Genética: Tecnología que permite alterar secuencias de $\text{ADN}$ produciendo versiones modificadas de los genes, los cuales se pueden reinsertar en células u organismos.
Definiciones Clave
- Genoma: Conjunto de genes de una célula o un organismo.
- Proteoma: Conjunto de proteínas de una célula o un organismo.
- Genómica: Rama de la genética que se ocupa del estudio del genoma, estudiando el conjunto de genes de un individuo tanto funcional como estructuralmente.
- Proteómica: Rama de la genética que se ocupa del estudio del proteoma, estudiando el conjunto de proteínas de un individuo tanto funcional como estructuralmente.
- Organismos Transgénicos (OGM): Organismos a los que se les ha introducido en su genoma uno o varios genes provenientes de otro organismo, confiriéndoles propiedades nuevas. Si se trata de seres (generalmente vegetales) utilizados en alimentación, se denominan alimentos transgénicos.
- Terapia Génica.
- Clon: Conjunto de individuos genéticamente idénticos (por reproducción asexual o por técnicas genéticas artificiales) que derivan de un original.
- Bioética: Se rige por cuatro principios fundamentales: no maleficencia, beneficencia, autonomía y justicia.