Metabolismo Anabólico: Quimiosíntesis, Biosíntesis de Glúcidos y Ciclo de Calvin

Quimiosíntesis

La quimiosíntesis es un proceso de síntesis de ATP (adenosín trifosfato) que se lleva a cabo mediante reacciones de oxidación de sustratos inorgánicos. La energía liberada en estas oxidaciones se utiliza para la producción de moléculas orgánicas, esenciales para la nutrición del organismo.

Características de la Quimiosíntesis

• Se da en organismos procariotas, específicamente en bacterias quimioautótrofas, que no presentan pigmentos fotosintéticos ni captan energía luminosa. Estas bacterias obtienen la energía necesaria para producir su propia materia orgánica.
• Los sustratos inorgánicos utilizados (como amoníaco, nitritos, sulfuro de hidrógeno, hierro ferroso) proceden a menudo de la materia orgánica en descomposición o de fuentes minerales.
• En muchos de estos procesos, el oxígeno es el aceptor final de electrones, lo que los clasifica como procesos aeróbicos. Sin embargo, existen también procesos quimiosintéticos anaeróbicos.
• Las sustancias inorgánicas reducidas, al oxidarse, se transforman en sustancias minerales que pueden ser asimiladas por otros organismos, como las plantas, para su nutrición. La energía liberada en estas oxidaciones se emplea para sintetizar compuestos orgánicos.

Fases de la Quimiosíntesis

Proceso de Oxidación

El proceso comienza con la reacción de oxidación de las moléculas inorgánicas. Esta oxidación libera energía que se utiliza para la fosforilación del ADP, generando así ATP, la principal moneda energética celular.

Ciclo de Calvin

Esta fase es semejante a la fase oscura de la fotosíntesis. Parte del ATP y el NADPH obtenidos en la fase de oxidación se utilizan para incorporar el dióxido de carbono (CO2) y otras moléculas inorgánicas al Ciclo de Calvin, con el objetivo de sintetizar compuestos orgánicos.

Clases de Bacterias Quimioautótrofas

Bacterias Sulfooxidantes

En estas bacterias, el sustrato oxidable es un compuesto de azufre (como el sulfuro de hidrógeno, H2S), que se oxida hasta formar ion sulfato (SO4^2-). Son bacterias que se encuentran comúnmente en aguas residuales o en minas de sulfuro.

Bacterias Nitrificantes

El sustrato oxidable en este grupo son compuestos nitrogenados reducidos (como el amoníaco, NH3, o los nitritos, NO2-), que se oxidan para formar nitratos (NO3-). Estos nitratos son cruciales, ya que son asimilados por las plantas. Se desarrollan en ambientes ácidos y algunas establecen simbiosis con las plantas.

Biosíntesis de Glúcidos

Existen dos rutas principales en el anabolismo de los glúcidos:

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es la ruta metabólica que permite la síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos, como el ácido pirúvico (procedente del catabolismo de lípidos o proteínas), lactato o ciertos aminoácidos. Es un proceso similar a la glucólisis pero en sentido inverso, utilizando enzimas diferentes para superar los pasos irreversibles de la glucólisis. Implica un considerable gasto energético, requiriendo 6 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa sintetizada. El proceso ocurre principalmente en el hígado y los riñones, desarrollándose tanto en la mitocondria como en el citoplasma.

Glucogenogénesis

La glucogenogénesis es la síntesis de glucógeno, la forma de almacenamiento de glucosa en animales. Se inicia a partir de la glucosa-6-fosfato, que al entrar en la célula se transforma en glucosa-1-fosfato. Esta última se une a una molécula de UTP (uridina trifosfato) como activador, facilitando así la unión de las unidades de glucosa para formar la cadena de glucógeno.

Amilogénesis

La amilogénesis es la síntesis de almidón, el polisacárido de reserva en plantas. Este proceso es similar al de la glucogenogénesis, pero en este caso, la molécula activadora de unión es el ATP (adenosín trifosfato).

El Ciclo de Calvin: Fijación del Carbono

El Ciclo de Calvin, también conocido como ciclo C3, es una ruta metabólica clave para la fijación del dióxido de carbono en la síntesis de carbohidratos. Es fundamental tanto en la fotosíntesis como en muchas formas de quimiosíntesis. Consta de tres fases principales:

Fijación del Dióxido de Carbono

Es la primera reacción del ciclo. En ella, el CO2 se une a una molécula orgánica de cinco carbonos, la ribulosa-1,5-difosfato (RuBP). Se forma una molécula inestable de seis carbonos que enseguida se rompe en dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3-PGA). La enzima que cataliza esta reacción es la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa, comúnmente llamada Rubisco, considerada la enzima más abundante del planeta.

Reducción del Carbono Incorporado

Esta fase ocurre mediante dos reacciones consecutivas. La primera requiere ATP y la segunda NADPH. Con la energía y el poder reductor aportados por estas moléculas, las dos moléculas de 3-fosfoglicerato se transforman en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (G3P).

El gliceraldehído-3-fosfato es un intermediario metabólico de gran importancia, ya que puede tener varios destinos:

• Fabricar glucosa en una ruta inversa a la glucólisis.
• Degradarse en la glucólisis para obtener energía.
• Convertirse en piruvato en la glucólisis y, a partir de él, sintetizar compuestos nitrogenados como bases o aminoácidos.
• Convertirse en acetil-CoA y, a partir de este, sintetizar ácidos grasos en una ruta inversa a la β-oxidación.
• Regenerar la ribulosa-1,5-difosfato para asegurar la continuidad del Ciclo de Calvin.

Regeneración de la Ribulosa-1,5-Difosfato

En esta fase final, el gliceraldehído-3-fosfato restante se utiliza para regenerar la molécula inicial del ciclo. A través de una serie de reacciones complejas, el G3P se convierte en ribosa-5-fosfato y luego en ribulosa-5-fosfato. Finalmente, se le añade otro grupo fosfato al carbono 1, convirtiéndose en ribulosa-1,5-difosfato, lo que permite que el ciclo continúe.