Metabolismo Celular: Nutrición y Procesos Bioquímicos
El metabolismo celular: la nutrición de las células implica **procesos químicos catalizados por enzimas** que tienen como finalidad la obtención de materiales o energía. Existen procesos anabólicos y catabólicos.
Anabolismo y Catabolismo: Las Dos Caras del Metabolismo
El **anabolismo** consiste en procesos químicos que se producen en la célula, cuya finalidad es obtener **sustancias orgánicas complejas a partir de sustancias más simples**, con un consumo de energía.
- Autótrofos: organismos que obtienen energía a partir de **sustancias inorgánicas**.
- Heterótrofos: organismos que la obtienen a partir de **compuestos orgánicos más sencillos**.
Ejemplo: síntesis de proteínas, fotosíntesis.
El **catabolismo** es el proceso por el cual las **moléculas orgánicas complejas son degradadas**, creando moléculas más simples. Cuando las sustancias finales siguen siendo orgánicas y no ha intervenido el O₂, se denomina **catabolismo anaerobio**. Cuando son inorgánicas y ha intervenido el O₂, se denomina **catabolismo aerobio**. Ejemplo: transformación de almidón en glucosa.
La **energía desprendida en los procesos catabólicos** se usa para formar **ATP**. La energía necesaria para realizar procesos anabólicos procede de la ruptura del ATP.
Catabolismo: La Fase Degradativa
El catabolismo es la **fase degradativa** que tiene como fin obtener **energía útil para la célula**. Esta energía es almacenada en **moléculas de ATP** que la célula utilizará para realizar sus funciones. En este proceso, las **moléculas orgánicas complejas son transformadas en moléculas más sencillas**, ya sean orgánicas o inorgánicas. Se distinguen dos tipos principales:
Tipos de Catabolismo
Fermentación
La **fermentación** se basa en una **reacción de óxido-reducción**. Es un **proceso anaeróbico** ya que no precisa de oxígeno. El producto final es un **compuesto orgánico**. Los productos finales caracterizan los tipos de fermentaciones:
- Alcohólica
- Láctica
- Butírica
- Pútrida
Fermentación Láctica
Consiste en la formación de **ácido láctico** a partir de la degradación de la lactosa. Es de tipo **homoláctica** cuando solo se produce ácido láctico como producto final, llevada a cabo por bacterias como Lactobacillus y Lactococcus. Bacterias como Leuconostoc y algunas Lactobacillus realizan la **fermentación heteroláctica**, en la que se obtienen ácido láctico y otros compuestos.
Fermentación Alcohólica
Es la transformación de la **glucosa en dos moléculas de alcohol etílico y dos de dióxido de carbono**. Se pueden crear otros productos secundarios como la glicerina y el ácido acético. La llevan a cabo enzimas especiales de levaduras del género Saccharomyces.
Respiración Celular
La **respiración celular** es otra vía catabólica, con dos tipos principales:
- Respiración Aerobia: Se realiza en **presencia de oxígeno**. La degradación de sustancias orgánicas es total, dando como productos finales CO₂ y H₂O (en el caso de hidratos de carbono y lípidos), y CO₂, H₂O y NH₃ (en el caso de proteínas).
- Respiración Anaerobia: Se realiza **sin oxígeno**. La degradación no es total, puesto que los productos finales de oxidación de hidratos de carbono, lípidos y proteínas podrían seguir oxidándose si hubiese oxígeno.
Fases de la Respiración Celular
- La Glucólisis: Es específica para cada grupo de biomoléculas. Todas tienen en común el producto final y se desarrollan en el **hialoplasma celular**. En la glucólisis se obtiene **ácido pirúvico**, que puede seguir la fermentación láctica.
- La Descarboxilación Oxidativa y el Ciclo de Krebs: La oxidación de las moléculas orgánicas es total, común a todas ellas, y se produce en la **matriz mitocondrial**. El ácido pirúvico de la glucólisis debe entrar en la mitocondria y se transforma en **acetil coenzima A**, liberando una molécula de CO₂. Se produce la **oxidación completa de sustratos**, obteniéndose energía en forma de **ATP** y **coenzimas reducidos** como el FADH₂ y NADH. Dado que en el ciclo de Krebs entra un compuesto de dos carbonos, se producen dos descarboxilaciones y la molécula queda completamente degradada. Como en la glucólisis aparecen dos moléculas de acetil-CoA por cada glucosa, son necesarias dos vueltas al ciclo de Krebs.
- La Cadena Respiratoria o de Transporte de Electrones: Está formada por **moléculas transportadoras de protones y electrones** (y algunas de ambos). Todas ellas acaban cediéndolos al oxígeno. Los componentes de la cadena se sitúan en las **crestas mitocondriales**.
- La Fosforilación Oxidativa o Síntesis de ATP: Tiene lugar en las **crestas mitocondriales**, donde se encuentran las enzimas **ATP sintetasas transmembranales**, y en la matriz mitocondrial, donde están el ADP y el ion fosfato y donde se acumula el ATP recién sintetizado. El **balance final de la respiración aerobia** es de **38 moléculas de ATP** obtenidas por cada molécula de glucosa degradada.
Anabolismo: La Fotosíntesis
La **fotosíntesis** es un **proceso anabólico** que realizan plantas, algas y algunas bacterias. Consiste en transformar la **materia inorgánica en orgánica** usando **energía luminosa**, que queda transformada en energía química. Se realiza gracias a la **clorofila**, y se divide en dos fases principales: luminosa y oscura.
Fase Luminosa (Fase Fotoquímica)
Es un conjunto de reacciones que se producen en **presencia de luz**. Se realiza en los **tilacoides del cloroplasto**, donde se encuentran los pigmentos fotosintéticos. El pigmento fotosintético más importante es la **clorofila**, que absorbe los colores violeta, azul y rojo, y refleja el verde. Estos pigmentos se agrupan en **fotosistemas**. La clorofila absorbe la energía luminosa y la transforma en energía química mediante la síntesis de **ATP y NADPH₂**.
La clorofila absorbe energía de la luz (**fotoexcitación**), la cual utilizan los cloroplastos para romper moléculas de agua (**fotólisis del agua**). Al descomponerse, el agua origina protones, electrones y oxígeno. El **oxígeno se libera a la atmósfera**, y los electrones llegan al NADP⁺, transformándose en **NADPH₂ (fotorreducción)**. Durante el transporte de los electrones se libera energía, utilizada para fabricar **ATP a partir de ADP + P (fosforilación)**.
Fase Oscura (Ciclo de Calvin)
También conocida como **ciclo de Calvin**. Tiene lugar en el **estroma del cloroplasto** y **no requiere luz**. Consiste en la **captación del CO₂** y su **reducción a materia orgánica**, utilizando la energía del ATP y el poder reductor del NADPH₂.
El CO₂ se fija gracias a la enzima **RUBISCO**. Cada molécula de CO₂ es fijada por una pentosa (**ribulosa-1,5-difosfato**), formando un compuesto de 6 carbonos que se descompone en dos triosas (**gliceraldehído-3-fosfato**).
Por cada molécula de CO₂ fijada, aparecen dos moléculas de gliceraldehído, que pueden seguir dos rutas:
- Una conduce a la **regeneración de la pentosa** consumida al fijar el CO₂, para que el proceso continúe.
- La otra conduce al objetivo principal de la fotosíntesis: la **obtención de moléculas orgánicas** (monosacáridos, glicerina, etc.).