Procesos del Metabolismo Celular: Catabolismo Energético y Fotosíntesis

Metabolismo de los Glúcidos

La Glucólisis

Durante la glucólisis se obtiene un rendimiento neto de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. El ATP puede ser usado como fuente de energía para realizar trabajo metabólico, mientras que el NADH puede tener diferentes destinos:

• Puede usarse como fuente de poder reductor en reacciones anabólicas.
• Si hay oxígeno, puede oxidarse en la cadena respiratoria, obteniéndose tres ATP por cada NADH.
• Si no hay oxígeno, se usa para reducir el piruvato a lactato (fermentación láctica) o a CO₂ y etanol (fermentación alcohólica), sin obtención adicional de energía.

La glucólisis es la forma más rápida de conseguir energía para una célula y, en el metabolismo de carbohidratos, generalmente es la primera vía a la cual se recurre. Se encuentra estructurada en 10 reacciones enzimáticas que permiten la transformación de una molécula de glucosa a dos moléculas de piruvato mediante un proceso catabólico.

La glucólisis se divide generalmente en dos fases:

1. Primera fase (Gasto de energía): Consiste en transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de gliceraldehído (una molécula de baja energía) mediante el uso de 2 ATP. Esto permite duplicar los resultados de la segunda fase.
2. Segunda fase (Obtención de energía): El gliceraldehído se transforma en un compuesto de alta energía, cuya hidrólisis genera una molécula de ATP. Como se generaron dos moléculas de gliceraldehído, se obtienen en realidad cuatro moléculas de ATP (para un neto de dos). Esta obtención de energía se logra mediante el acoplamiento de una reacción fuertemente exergónica después de una levemente endergónica. Este acoplamiento ocurre una vez más en esta fase, generando finalmente dos moléculas de piruvato.

Ciclo de Krebs

El Ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial y consta de los siguientes pasos fundamentales:

1. Descarboxilación: Pérdida del grupo carboxilo que sale en forma de CO₂.
2. Deshidrogenación: Pérdida de dos hidrógenos que son aceptados por un NAD⁺, el cual se reduce a NADH + H⁺.
3. Unión del ion acetato: El grupo acetato resultante (CH₃-COO^-) se une a un coenzima A, formando acetil-coenzima A (Acetil-CoA), que ya se puede incorporar al ciclo de Krebs.

Cadena Respiratoria

Se realiza en la membrana interna mitocondrial. La cadena se inicia cuando el NADH o el FADH₂ se oxidan, cediendo sus electrones y protones al O₂. Esta transferencia no se realiza de forma directa, sino a través de una serie de moléculas intermediarias (coenzima Q, citocromos) que se agrupan formando sistemas y se ordenan según su potencial redox. A través de una serie de oxidaciones, los electrones llegan hasta el O₂ que, al combinarse con los protones, se transforma en H₂O.

Fosforilación Oxidativa

En la cadena respiratoria se produce un bombeo de protones desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembranal, provocando un gradiente protónico entre las dos zonas. Los protones regresarán a la matriz a través de las ATPasas (ATP sintasa), donde se sintetizará ATP. Se utiliza la energía cinética de los protones en el paso de una zona a otra para formar ATP. Por cada NADH que se oxida se forman 3 ATP, y por cada FADH₂ se forman 2 ATP.

Metabolismo de los Lípidos

Lipólisis

El catabolismo de los lípidos comienza con la degradación de estos hasta obtener ácidos grasos y glicerina. Se realiza en todos los tejidos, especialmente en el tejido adiposo. Los triglicéridos del tejido adiposo son hidrolizados por lipasas.

Beta-oxidación (β-oxidación)

Es la ruta de degradación de los ácidos grasos. Se realiza en la matriz mitocondrial y está asociada a la cadena respiratoria y a la fosforilación oxidativa. Consiste en la fragmentación de la cadena de manera secuencial (de 2 carbonos en 2 carbonos). Previamente, en el citoplasma, el ácido graso se une a un coenzima A, transformándose en un acil-CoA (activación del ácido graso). El acil-CoA se unirá a la carnitina para entrar en la matriz mitocondrial donde comenzará la oxidación.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso anabólico que se produce en los cloroplastos, en el cual la energía luminosa es transformada en energía química, que posteriormente será utilizada en la fabricación de sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas. Todos los seres vivos dependen directa o indirectamente de la fotosíntesis para la obtención de materia orgánica y energía; además, a partir de este proceso se obtiene O₂.

Fase Lumínica

Se realiza en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. Es aquí donde se encuentran los pigmentos encargados de captar la energía solar y transferirla a un primer aceptor de una cadena transportadora de electrones. Sus hitos principales son:

• Fotólisis del H₂O: Ruptura de las moléculas de agua liberando H⁺, O₂ y electrones.
• Fosforilación del ADP: Formación de ATP.
• Reducción del NADP: Formación de NADPH gracias a los electrones procedentes del fotosistema I.

El proceso ocurre cuando la clorofila y otros pigmentos absorben la energía de la luz, activando electrones hacia niveles de energía superiores. Al descender de nivel, liberan energía que llega a los centros de reacción, provocando la pérdida de electrones que son captados por una cadena de transporte para formar finalmente ATP y NADPH.

Fase Oscura

En procariotas se realiza en el citoplasma, mientras que en eucariotas ocurre en el estroma del cloroplasto; no requiere la presencia de luz. En esta fase se asimilan por reducción los elementos necesarios para la vida, utilizando el ATP y el NADPH obtenidos en la fase lumínica. La reacción más característica es el Ciclo de Calvin.

• Plantas C3: El CO₂ se une a una pentosa y la molécula resultante es el ácido 3-fosfoglicérico.
• Plantas C4: Utilizan la ruta de Hatch-Slack en zonas cálidas y secas. Cuando la concentración de CO₂ es baja, los estomas se cierran para evitar la pérdida de agua.

En condiciones de baja concentración de CO₂, la enzima RuBisCO (RuDP-carboxilasa) puede catalizar la reacción con O₂ en lugar de CO₂, iniciando la fotorrespiración. En este proceso, los glúcidos se oxidan a CO₂ y H₂O en presencia de luz, pero a diferencia de la respiración mitocondrial, la energía se pierde y no se forma ATP ni NADH, reduciendo la capacidad fotosintética hasta en un 50%.

Factores que influyen en la fotosíntesis:

• Intensidad de luz (a mayor intensidad, mayor fotosíntesis hasta un límite).
• Longitud de onda.
• Concentración de CO₂ y O₂.
• Temperatura.
• Fotoperiodo.
• Disponibilidad de agua (H₂O).