Fundamentos del Metabolismo Celular: Rutas, Energía y Tipos de Nutrición

Concepto General del Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas y procesos físicos que ocurren en las células. Implica un constante intercambio de materia y energía con el entorno.

• Se organiza en rutas metabólicas, que son secuencias de reacciones catalizadas por enzimas.

Objetivos del Metabolismo

• Obtener energía (principalmente en forma de ATP).
• Transformar nutrientes en moléculas utilizables.
• Sintetizar materia orgánica (biomoléculas).
• Degradar moléculas complejas para extraer energía.

Catabolismo y Anabolismo

El metabolismo se divide en dos grandes procesos interconectados:

• Catabolismo: Proceso degradativo que rompe moléculas grandes en unidades más pequeñas, liberando energía (ATP, NADH).
• Anabolismo: Proceso constructivo que sintetiza moléculas grandes a partir de precursores simples, consumiendo energía (ATP, NADPH).

Condiciones y Termodinámica del Metabolismo

Para que el metabolismo se lleve a cabo eficientemente, se requieren ciertas condiciones ambientales:

• Temperatura adecuada (generalmente baja, para no desnaturalizar las proteínas).
• Medio acuoso.
• pH estable.

Leyes de la Termodinámica

El metabolismo obedece a las leyes de la Termodinámica:

1. 1ª Ley (Conservación de la Energía): La energía se transforma, no se crea ni se destruye.
2. 2ª Ley (Entropía): Siempre se pierde energía en forma de calor, lo que resulta en un aumento de la entropía (desorden) del universo.

Tipos de Nutrición

Moléculas Clave en las Rutas Metabólicas

• ATP (Adenosín Trifosfato): Principal transportador de energía química. Se forma y consume rápidamente en la célula.
• NADH y FADH₂: Transportan electrones y protones (alto poder reductor), esenciales en la respiración celular.
• Metabolitos: Sustancias intermedias que se forman y consumen durante las reacciones de las rutas metabólicas.
• Oxígeno, CO₂, Agua: Participan como aceptores o donadores de electrones en diversas reacciones.

Reacciones de Óxido-Reducción (Redox)

Las reacciones metabólicas implican transferencia de electrones:

• Oxidación: Pérdida de electrones.
• Reducción: Ganancia de electrones.

En el metabolismo, las oxidaciones de moléculas orgánicas son las que liberan la energía necesaria para sintetizar ATP.

Principales Procesos Metabólicos

Glucólisis

Es la primera etapa de la degradación de la glucosa:

• Rompe la glucosa (molécula de 6 carbonos, 6C) en dos moléculas de piruvato (3C).
• Ocurre en el citoplasma.
• Es un proceso anaerobio (no necesita oxígeno).
• Balance neto:
  • 2 ATP netos.
  • 2 NADH.
  • 2 piruvatos.

Respiración Celular (Aerobia)

Proceso que ocurre en la mitocondria y maximiza la obtención de energía a partir del piruvato.

1. Descarboxilación Oxidativa

• El piruvato (3C) se transforma en Acetil-CoA (2C).
• Se libera CO₂ y se genera NADH.

2. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

• El Acetil-CoA se oxida completamente, liberando todo el carbono restante como CO₂.
• Genera por cada Acetil-CoA:
  • 3 NADH
  • 1 FADH₂
  • 1 ATP (o GTP)
  • 2 CO₂

3. Cadena de Transporte de Electrones (Fosforilación Oxidativa)

• El NADH y el FADH₂ transfieren sus electrones a una cadena de proteínas.
• El oxígeno es el aceptor final de electrones, formando agua.
• Este proceso genera la mayor cantidad de energía, sintetizando aproximadamente 34-36 ATP adicionales.

Resumen total: De una molécula de glucosa se pueden obtener hasta 38 ATP (rendimiento teórico máximo).

Fermentaciones (Anaerobias)

Ocurren en ausencia de oxígeno y permiten regenerar el NAD⁺ necesario para que la glucólisis continúe.

Fermentación Láctica

• Glucosa se transforma en Ácido láctico + 2 ATP.
• Típica de células musculares (durante ejercicio intenso) y bacterias (yogur).

Fermentación Alcohólica

• Glucosa se transforma en Etanol + CO₂ + 2 ATP.
• Realizada por levaduras (utilizada en la producción de vino, cerveza y pan).

Catabolismo de Lípidos

Los lípidos son una fuente de energía muy eficiente.

• β-oxidación: Los ácidos grasos se degradan en fragmentos de 2 carbonos (Acetil-CoA), que luego entran al Ciclo de Krebs.
• Produce mucho más ATP que los glúcidos. Por ejemplo, oxidar un ácido graso de 18 carbonos puede generar hasta 148 ATP.

Anabolismo: La Fotosíntesis

Proceso mediante el cual los organismos fotoautótrofos sintetizan materia orgánica usando luz.

Fase Luminosa (Dependiente de la Luz)

• Ocurre en los tilacoides de los cloroplastos.
• Genera ATP y NADPH.
• Libera O₂ como subproducto (gracias a la fotólisis del agua).

Fotosistemas (PS)

Fotofosforilación

• No cíclica: Produce ATP, NADPH y libera O₂.
• Cíclica: Solo produce ATP (sin liberación de O₂ ni generación de NADPH).

Fase Oscura: Ciclo de Calvin

• Ocurre en el estroma de los cloroplastos.
• La enzima RuBisCO fija el CO₂ atmosférico a la molécula RuBP (Ribulosa-1,5-bifosfato, 5C), formando PGA (3C).
• Utiliza la energía y el poder reductor generados en la fase luminosa (ATP y NADPH).
• Finalidad: Producir glucosa y regenerar la molécula aceptora RuBP.