Fundamentos del Metabolismo Celular: Procesos de Anabolismo y Catabolismo

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Introducción al Anabolismo

El anabolismo es el conjunto de procesos bioquímicos mediante los cuales las células sintetizan moléculas complejas a partir de otras sencillas.

Características del Anabolismo

  • Son procesos constructivos.
  • Intervienen reacciones de reducción; necesita coenzimas reducidas como NADH, NADPH o FADH2.
  • Requieren aporte energético (hidrólisis del ATP): ATP → ADP + Pi + Energía (7,3 kcal/mol).

La Fotosíntesis

Es un proceso de síntesis de materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía luminosa.

  • Para realizar la fotosíntesis se necesita un donador de H+ y un aceptor de H+.
  • Ecuación general: 2H2D + CO2 → (CH2O)n + H2O + 2D.

Localización Celular

Se lleva a cabo en:

  1. Cloroplastos de eucariotas (plantas y algas).
  2. Tilacoides de cianobacterias, en cuya cara externa hay estructuras proteicas.
  3. Cromatóforos, que son invaginaciones de la membrana de bacterias rojas del azufre.
  4. Clorosomas, vesículas de envuelta proteica de bacterias verdes del azufre.

Etapas de la Fotosíntesis

Fase dependiente de la luz (fase lumínica)

Está constituida por una serie de reacciones que tienen lugar en la membrana de los tilacoides. En esta etapa se obtiene ATP y NADPH. Se localiza específicamente en la membrana tilacoidal y comprende tres procesos:

  • Captación de la energía luminosa.
  • Transporte de electrones.
  • Síntesis de ATP o fotofosforilación.

Fase no dependiente de la luz (fase oscura)

Comprende una serie de reacciones independientes de la luz que tienen lugar en el estroma del cloroplasto. En la fase luminosa previa, la energía luminosa se transforma en energía química almacenada en los enlaces del NADPH (gran poder reductor) y ATP (alto contenido energético).

  • Se produce en el estroma y puede suceder en presencia o ausencia de luz.
  • Es un conjunto de reacciones por las cuales el CO2 es fijado y transformado en sustancias orgánicas mediante el Ciclo de Calvin.
  • Ecuación: H2O + CO2 + NADPH + H+ + ATP → (CH2O)n + NADP+ + ADP + Pi.

Captación de la Luz y Pigmentos

Es llevada a cabo por los pigmentos fotosintéticos (moléculas que absorben la energía de los fotones de la luz en diferentes longitudes de onda):

  • Clorofila y carotenoides en las plantas.
  • Ficobilinas en cianobacterias.
  • La clorofila posee un anillo tetrapirrólico con un átomo de magnesio y una cadena lateral de alcohol (Clorofila a y b).

Funcionamiento de los Pigmentos

Cuando un fotón llega a un pigmento, un electrón capta la energía y asciende a un nivel energético superior. Las moléculas se agrupan en fotosistemas compuestos por:

  • Complejo antena: Gran número de pigmentos (clorofilas, carotenoides y xantofilas) que canalizan la energía hacia la clorofila diana.
  • Centro de reacción: Formado por la clorofila diana, un dador y un aceptor de electrones.

Fotofosforilación o Síntesis de ATP

Es el proceso de síntesis de ATP a partir de ADP + Pi, acoplado al flujo de electrones. Según la hipótesis quimiosmótica, la energía liberada en el transporte de electrones entre el PSI y PSII se utiliza para bombear protones desde el estroma al espacio intratilacoidal. El gradiente electroquímico resultante permite que las ATP sintetasas sinteticen ATP al fluir los protones de vuelta al estroma.

Flujo de Electrones

Flujo No Cíclico (Acíclico)

  • Intervienen los dos fotosistemas (PSI y PSII).
  • La luz excita electrones del PSII, que fluyen hacia el PSI.
  • Los electrones del PSI son captados por la ferredoxina y cedidos al NADP+ para formar NADPH + H+.
  • El PSII recupera electrones mediante la fotólisis del agua, liberando oxígeno molecular (O2).

Transporte Cíclico

  • Ocurre cuando hay mucho NADPH; solo interviene el fotosistema I.
  • Su finalidad es formar ATP adicional para compensar el déficit en la fase oscura.
  • No se forma NADPH ni O2.

Factores que Influyen en la Fotosíntesis

  • Humedad ambiental: Condiciona la apertura de los estomas. Si baja la humedad, los estomas se cierran, disminuye el CO2 y aumenta la fotorrespiración, bajando la intensidad fotosintética.
  • Concentración de CO2: A mayor concentración, mayor velocidad de la enzima RuBisCO en el Ciclo de Calvin, hasta alcanzar la saturación.
  • Color de la luz: Las plantas precisan luz roja (> 680 nm) y azul (< 680 nm). El declive del rojo ocurre cuando solo funciona el PSI (transporte cíclico), disminuyendo el rendimiento.

Conceptos Fundamentales del Metabolismo

  • Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas en la célula (catabólicas y anabólicas) que transforman unas biomoléculas en otras.
  • Catabolismo: Reacciones que proporcionan precursores, energía y poder reductor.
  • Anabolismo: Procesos de síntesis con gasto de energía.
  • Glucólisis: Conversión de glucosa en ácido pirúvico con liberación de ATP.
  • Fermentación: Degradación anaeróbica donde el aceptor final es una molécula orgánica.
  • Quimiosíntesis: Proceso anabólico que usa energía de reacciones químicas (no luz).

Reacciones Redox en el Metabolismo

Los procesos están emparejados con transferencias de electrones:

  • Oxidación: Pérdida de electrones (el dador es el reductor).
  • Reducción: Ganancia de electrones (el aceptor es el oxidante).

En el metabolismo, la transferencia de electrones suele ir acompañada de protones (H+). Los intermediarios son coenzimas como NAD+, FAD, FMN y NADP+.

Catabolismo y Respiración Celular

El catabolismo tiene tres finalidades: conseguir ATP, obtener poder reductor y producir precursores metabólicos.

Tipos de Reacciones Catabólicas

  1. Respiración: Oxidación completa. El aceptor final es inorgánico.
    • Aerobia: El aceptor es el O2. Se realiza en mitocondrias (eucariotas) con alto rendimiento.
    • Anaerobia: El aceptor son sustancias como S2, H2 o N2 (exclusivo de procariotas).
  2. Fermentación: Oxidación incompleta. El aceptor final es una molécula orgánica. Ocurre en el citoplasma.

El Ciclo de Krebs

  • Lugar: Matriz mitocondrial.
  • Entrada: 1 grupo acetilo del Acetil-CoA.
  • Salida (por vuelta): 2 CO2, 1 GTP (ATP), 3 NADH, 3 H+, 1 FADH2.

La Fermentación en Detalle

Es un proceso catabólico con degradación parcial de la glucosa y un rendimiento de 2 ATP. Regenera el NAD+ citoplasmático.

  • Fermentación láctica: Realizada por bacterias (Lactobacillus) y fibras musculares (causando agujetas por descenso de pH). El piruvato se reduce a lactato.
  • Fermentación alcohólica: Realizada por levaduras (Saccharomyces cerevisiae). Produce etanol y CO2.

Balance Energético de la Oxidación de la Glucosa

La obtención de ATP se da por fosforilación a nivel de sustrato o fosforilación oxidativa (cadena de transporte de electrones).

Rendimiento por Etapas:

  • Glucólisis: 2 ATP directos + 2 NADH (que rinden 4 o 6 ATP). Total: 6-8 ATP.
  • Paso a Acetil-CoA: 2 NADH rinden 6 ATP.
  • Ciclo de Krebs: 2 GTP + 6 NADH + 2 FADH2 rinden un total de 24 ATP.

Reacción Global:
Glucosa + 6 O2 + 36 ADP + 36 Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 36/38 ATP

El rendimiento total de la oxidación completa de una molécula de glucosa es de 36 a 38 moléculas de ATP.