Metabolismo Celular

1. Nutrición Celular

La nutrición celular es el proceso mediante el cual las células incorporan materia y energía para realizar sus funciones vitales. Este proceso implica la transformación de nutrientes en el interior de la célula, lo que permite obtener energía, producir materia propia para el crecimiento o renovación, y eliminar los residuos generados en las reacciones químicas.

Existen dos tipos de nutrición según la fuente de materia y energía:

• Nutrición autótrofa: Los organismos autótrofos utilizan el CO₂ como fuente de carbono y obtienen energía de la luz (fotosíntesis) o de reacciones químicas inorgánicas (quimiosíntesis). Ejemplos incluyen plantas, algas y algunas bacterias.
• Nutrición heterótrofa: Los organismos heterótrofos obtienen carbono y energía de moléculas orgánicas. Ejemplos incluyen animales, hongos y muchas bacterias.

2. Conceptos Fundamentales del Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en la célula para transformar nutrientes en energía o materia propia. Se divide en dos procesos principales:

• Catabolismo: Proceso degradativo que libera energía al descomponer moléculas complejas en otras más simples. Ejemplo: respiración celular.
• Anabolismo: Proceso constructivo que consume energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples. Ejemplo: fotosíntesis.

El ATP (adenosín trifosfato) es la principal molécula de transferencia de energía en el metabolismo. Los coenzimas como NAD⁺, NADP⁺, FAD y FMN participan en reacciones de oxidación-reducción, transportando electrones y protones entre las reacciones catabólicas y anabólicas.

Catabolismo: Obtención de Energía

El catabolismo incluye procesos como la respiración celular aerobia y las fermentaciones.

3.1 Respiración Celular Aerobia

Glucólisis

Ocurre en el citoplasma, donde la glucosa se degrada en dos moléculas de piruvato, generando 2 ATP y 2 NADH.

Fórmula:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD⁺ → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H₂O + 2 H⁺

Pasos Previos al Ciclo de Krebs

1. El piruvato llega a la mitocondria: El piruvato, producido durante la glucólisis en el citoplasma, entra en la mitocondria mediante una proteína transportadora en la membrana mitocondrial.
2. El piruvato se transforma en acetil-CoA: Dentro de la mitocondria, el piruvato se convierte en acetil-coenzima A (acetil-CoA). En esta reacción, pierde una molécula de dióxido de carbono (CO₂) y se une a la coenzima A (CoA). También se produce una molécula de NADH (un transportador de electrones).
3. El acetil-CoA está listo para el ciclo de Krebs: El acetil-CoA es la molécula que entra en el ciclo de Krebs para ser oxidada y producir energía.

Ciclo de Krebs

Ocurre en la matriz mitocondrial. El acetil-CoA entra en el ciclo y se oxida completamente. Por cada molécula de acetil-CoA que entra, el ciclo produce:

• 2 CO₂: Procedentes de la oxidación total de los carbonos del acetil-CoA.
• 3 (NADH + H⁺) y 1 FADH₂: Coenzimas reducidas que transportan electrones de alta energía. Se requieren 3 NAD⁺ y 1 FAD oxidados.
• 1 GTP: Equivalente a 1 ATP en términos energéticos.

Cadena de Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa es la etapa final de la respiración celular aeróbica, ocurriendo en la membrana mitocondrial interna. Su objetivo es generar la mayor parte del ATP celular.

La cadena transportadora de electrones (o cadena respiratoria) está compuesta por proteínas embebidas en la membrana mitocondrial interna. Los electrones de NADH y FADH₂ (producidos en glucólisis y ciclo de Krebs) pasan a través de esta cadena en reacciones redox.

A medida que los electrones se mueven, liberan energía usada para bombear protones (H⁺) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso, creando un gradiente electroquímico.

Los electrones se transfieren a través de varios complejos:

• Complejo I: Recibe electrones del NADH y bombea protones.
• Complejo II: Recibe electrones del FADH₂, pero no bombea protones.
• Complejo III y IV: Transfieren electrones y bombean más protones.
• Citocromo C y Coenzima Q: Transportadores móviles de electrones.

Finalmente, los electrones reducen el oxígeno molecular (O₂) formando agua (H₂O). La energía del gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP mediante la enzima ATP sintasa (ver sección de Quimiosmosis).

3.2 Fermentaciones

Son procesos catabólicos anaeróbicos (sin oxígeno) que ocurren en el citoplasma.

Fermentación Láctica

El piruvato se reduce a lactato, regenerando NAD⁺ a partir de NADH. Es común en células musculares durante ejercicio intenso y en bacterias lácticas.

Fermentación Alcohólica

El piruvato primero se descarboxila (pierde CO₂) para formar acetaldehído, que luego se reduce a etanol, regenerando NAD⁺. Ocurre en levaduras y se utiliza en la producción de pan y bebidas alcohólicas.

3.3 Beta-oxidación de Ácidos Grasos

La β-oxidación es un proceso metabólico que ocurre en la matriz mitocondrial, donde los ácidos grasos se descomponen para producir energía. Pasos principales:

1. Activación del ácido graso en el citoplasma (requiere ATP) y transporte a la mitocondria.
2. Dentro de la mitocondria, el ácido graso sufre ciclos repetidos de reacciones que eliminan secuencialmente unidades de dos carbonos en forma de acetil-CoA.
3. Cada ciclo también genera NADH y FADH₂.
4. El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, y el NADH y FADH₂ ceden sus electrones a la cadena respiratoria para la producción de ATP.

La β-oxidación es una fuente importante de energía, especialmente durante el ayuno o el ejercicio prolongado.

Anabolismo: Síntesis de Moléculas

4.1 Anabolismo Autótrofo: Fotosíntesis

Proceso mediante el cual organismos como plantas, algas y cianobacterias convierten la energía lumínica en energía química (ATP y NADPH) y la utilizan para sintetizar materia orgánica a partir de CO₂ y agua.

Fotosíntesis Oxigénica

Fase Luminosa

Ocurre en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos. La energía lumínica es captada por pigmentos como la clorofila. Esta energía se utiliza para:

• Romper moléculas de agua (fotólisis), liberando oxígeno (O₂), protones (H⁺) y electrones.
• Transportar electrones a través de una cadena transportadora, generando un gradiente de protones.
• Sintetizar ATP mediante la ATP sintasa (fotofosforilación).
• Reducir NADP⁺ a NADPH.

El ATP y el NADPH producidos se utilizarán en la fase oscura.

Fase Oscura (Ciclo de Calvin)

Ocurre en el estroma de los cloroplastos. No requiere luz directamente, pero utiliza el ATP y NADPH de la fase luminosa. Pasos clave:

• Fijación del carbono: El CO₂ atmosférico se une a una molécula de 5 carbonos, la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), reacción catalizada por la enzima RuBisCO.
• Reducción: El compuesto resultante se convierte en gliceraldehído-3-fosfato (G3P), utilizando ATP y NADPH.
• Regeneración: Parte del G3P se utiliza para regenerar la RuBP (consumiendo ATP), y otra parte se utiliza para sintetizar glucosa y otros compuestos orgánicos.

Regulación y Síntesis de ATP

5.1 Mecanismos de Síntesis de ATP

La obtención de ATP es crucial. Existen dos mecanismos principales:

Fosforilación a Nivel de Sustrato

Transferencia directa de un grupo fosfato desde una molécula sustrato de alta energía al ADP para formar ATP. Ocurre en el citoplasma durante la glucólisis y en la matriz mitocondrial durante el ciclo de Krebs. No requiere oxígeno directamente.

Fosforilación Oxidativa y Quimiosmosis

Es el principal mecanismo de producción de ATP en organismos aerobios. Ocurre en las mitocondrias (y en la membrana plasmática de procariotas aerobios). La energía liberada por el transporte de electrones en la cadena respiratoria se utiliza para crear un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Este proceso se conoce como quimiosmosis.

La quimiosmosis describe cómo la energía almacenada en el gradiente de protones (fuerza protón-motriz) se utiliza para sintetizar ATP. Los protones (H⁺) acumulados en el espacio intermembranoso fluyen de regreso a la matriz mitocondrial a través de la enzima ATP sintasa. Esta enzima actúa como una turbina molecular, utilizando la energía del flujo de protones para catalizar la unión de ADP y fosfato inorgánico (Pi), generando ATP. Este proceso es muy eficiente y requiere oxígeno como aceptor final de electrones.

5.2 Metabolismo y Dieta Equilibrada

El metabolismo está estrechamente relacionado con la dieta. Los nutrientes ingeridos (glúcidos, lípidos, proteínas) son los sustratos para las vías metabólicas que producen energía y componentes celulares. Una dieta equilibrada debe proporcionar la cantidad y calidad adecuadas de nutrientes para mantener un metabolismo óptimo, asegurando un balance energético y cubriendo las necesidades para el catabolismo y el anabolismo.