Procesos del Anabolismo Celular y Mecanismos de la Fotosíntesis

El Anabolismo: Construcción de Moléculas Complejas

El anabolismo es la parte del metabolismo encargada de sintetizar moléculas complejas a partir de otras más sencillas. Para mantener el orden biológico, los seres vivos necesitan energía externa y materiales que permitan construir y reparar estructuras. Las reacciones anabólicas son endergónicas (requieren energía) y reductoras, por lo que necesitan ATP y poder reductor en forma de NADPH. Gracias a ellas se forman polisacáridos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas esenciales. Un proceso clave dentro del anabolismo es la fotosíntesis, que transforma la energía luminosa en energía química utilizable.

La Fotosíntesis: Transformación de Energía Lumínica en Química

La fotosíntesis es un proceso anabólico mediante el cual plantas, algas, cianobacterias y algunas bacterias transforman la energía de la luz en energía química almacenada en ATP, que luego se usa para sintetizar materia orgánica. Es fundamental para la vida en la Tierra, ya que permite producir materia orgánica desde sustancias inorgánicas.

• Fotosíntesis oxigénica: Propia de plantas, algas y cianobacterias; el agua actúa como donador de electrones y se libera oxígeno (O₂).
• Fotosíntesis anoxigénica: Realizada por otras bacterias; no se usa agua sino compuestos como el sulfuro de hidrógeno (H₂S), por lo que no se libera oxígeno.

Este proceso se divide en dos etapas principales: la fase lumínica (que ocurre en los tilacoides) y la fase oscura (que tiene lugar en el estroma).

La Fase Lumínica: Captación y Conversión de Energía

La fase lumínica depende directamente de la luz y ocurre en los tilacoides de los cloroplastos. En ella se obtienen ATP y NADPH mediante tres procesos interrelacionados: captación de energía lumínica, transporte de electrones y síntesis de ATP.

3.1. Captación de energía lumínica

La luz es captada por pigmentos fotosintéticos como las clorofilas y carotenoides en plantas, ficobilinas en cianobacterias y bacterioclorofilas en bacterias fotosintéticas. Estos pigmentos forman complejos antena en las membranas tilacoidales. La energía luminosa absorbida se transfiere a un centro de reacción formado por clorofilas especiales (P680 en el fotosistema II y P700 en el fotosistema I), que convierten la energía lumínica en energía química.

3.2. Transporte electrónico dependiente de la luz

Este proceso implica a los fotosistemas II y I. En el fotosistema II, la luz excita los electrones del P680, que pasan a una cadena transportadora (feofitina, plastoquinona, citocromo b6f y plastocianina). Paralelamente, se produce la fotólisis del agua, que genera protones, electrones y oxígeno (que se libera a la atmósfera). Los electrones llegan al fotosistema I, donde se vuelven a excitar y pasan a la ferredoxina, que los transfiere al NADP+ formando NADPH. Este flujo de electrones también contribuye a generar un gradiente de protones.

3.3. Síntesis de ATP o fotofosforilación

La fotofosforilación es la síntesis de ATP a partir de ADP gracias a la energía luminosa. El transporte de electrones genera un gradiente de protones entre el interior del tilacoide (más ácido) y el estroma (más básico). Los protones regresan al estroma a través de la ATP sintasa, y la energía liberada se utiliza para formar ATP. También existe la fosforilación cíclica, en la que solo participa el fotosistema I y se produce ATP sin generar NADPH.

La Fase Oscura: Fijación del Carbono y Ciclo de Calvin

La fase oscura no depende directamente de la luz y ocurre en el estroma. Utiliza el ATP y NADPH de la fase lumínica para fijar CO₂ y sintetizar glúcidos. El carbono se obtiene del CO₂ atmosférico que entra por los estomas. También se usan nitratos y sulfatos como fuentes de nitrógeno y azufre. Es un proceso cíclico en el que destaca la enzima RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa), que fija el CO₂ uniéndolo a la ribulosa-1,5-bisfosfato, formando dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérico. La RuBisCO es la proteína más abundante de la biosfera y clave en la producción primaria, aunque el proceso es poco eficiente.

Fotorrespiración y Adaptaciones en Plantas C4

La RuBisCO también puede actuar como oxigenasa, fijando O₂ en lugar de CO₂, lo que da lugar a la fotorrespiración, un proceso que consume energía y reduce la eficacia fotosintética. Esto ocurre cuando hay poco CO₂ o mucho O₂, especialmente en climas cálidos donde las plantas cierran los estomas. Las plantas C4 han desarrollado adaptaciones para evitar este problema: captan CO₂ por la noche y lo almacenan como ácido málico, que luego se utiliza en el ciclo de Calvin durante el día. Aunque este proceso consume más energía, evita las pérdidas por fotorrespiración.

Factores que Influyen en el Rendimiento Fotosintético

La fotosíntesis está influida por varios factores ambientales:

• Intensidad luminosa: Aumenta el rendimiento hasta un límite de saturación.
• Concentración de CO₂: Incrementa la fotosíntesis hasta que el proceso se satura.
• Tiempo de iluminación: Afecta según las necesidades de cada especie.
• Temperatura: Mejora el proceso hasta alcanzar un óptimo, tras el cual las enzimas se desnaturalizan.
• Concentración de O₂: Una alta concentración disminuye el rendimiento debido a la fotorrespiración.
• Escasez de agua: Reduce el rendimiento porque provoca el cierre de estomas, dificultando la entrada de CO₂ y favoreciendo la fotorrespiración.

Biosíntesis de otras Biomoléculas

Síntesis de polisacáridos

Los seres vivos sintetizan polisacáridos a partir de monosacáridos. En plantas se forman almidón y celulosa, y en animales glucógeno. La polimerización consiste en unir moléculas de glucosa para formar largas cadenas. Para que esto ocurra, la glucosa debe activarse previamente mediante su unión a nucleótidos como el UTP.

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es la síntesis de glucosa a partir de otros compuestos (como lactato, aminoácidos o glicerol) cuando no hay disponibilidad de glucosa. Es una ruta inversa a la glucólisis y requiere energía, por lo que es un proceso desfavorable energéticamente.

Síntesis de lípidos

Los lípidos son esenciales y se sintetizan a partir de acetil-CoA, que se forma en la mitocondria y pasa al citoplasma, donde se producen los ácidos grasos. Los triglicéridos se forman al unirse tres ácidos grasos con una glicerina mediante esterificación. Este proceso ocurre en el citoplasma, especialmente en células hepáticas y adipocitos, donde se almacenan como reserva energética.

Fijación del Nitrógeno

El nitrógeno es fundamental para formar aminoácidos y nucleótidos. Aunque es abundante en la atmósfera (N₂), solo algunas bacterias pueden fijarlo directamente. El resto de los seres vivos necesita obtenerlo en forma de compuestos nitrogenados (como nitratos o amonio) para incorporarlo a sus biomoléculas.