METABOLISMO

El metabolismo es el conjunto de reacciones encaminado a la obtención de biomoléculas y energía para la actividad vital de la célula. La obtención de esas biomoléculas se logra mediante unas reacciones de biosíntesis que constituyen el anabolismo. La obtención de energía se produce a través de reacciones de degradación de moléculas orgánicas que constituyen el catabolismo.

El conjunto de reacciones que lleva desde una molécula inicial hasta el producto final se denomina ruta metabólica. Cada reacción de una ruta está catalizada por una enzima diferente y específica, ayudada por cofactores. Algunas rutas son lineales: se parte de una molécula inicial y se obtienen productos finales. Otras son cíclicas: se parte de dos o más moléculas iniciales, alguna de las cuáles se regenera en el proceso.


El catabolismo es un conjunto de reacciones degradativas que rompen enlaces de moléculas complejas para obtener otras más sencillas. Por lo general son reacciones oxidativas y las moléculas que se obtienen se emplean bien como precursores metabólicos para el anabolismo, o bien como carburantes metabólicos, para obtener energía (ATP) y poder reductor (NADH;FADH2,NADPH).

Para entender las reacciones redox, tenemos que saber que un compuesto se oxida si pierde electrones y se reduce si los acepta. Las oxidaciones biológicas suelen ser redox, con una pérdida simultánea de electrones y protones. Se llaman deshidrogenaciones, catalizada por enzimas deshidrogenasas. Es por esto que requieren de dadores de electrones, que suelen ser glúcidos, lípidos, y derivados, es decir, carburantes metabólicos y de aceptores de electrones que suelen ser los nucleótidos NAD+ O FAD.
El NADH no transporta un átomo de H, sino un ión hibrido formado por un átomo de H más un é. Esto es equivalente al transporte de 2H.

El anabolismo es el conjunto de reacciones de síntesis que forman enlaces C-C para obtener moléculas complejas a partir de otras más sencillas. Este tipo de reacciones requiere energía (ATP), poder reductor (NADH, FADH2, NADPH) y metabolitos sencillos llamados precursores. En los autótrofos los precursores son sintetizados a partir de materia inorgánica usando energía lumínica o química.

Los heterótrofos obtienen los precursores de reacciones catabólicas sobre compuestos obtenidos en la dieta. El anabolismo y catabolismo no son procesos independientes, sino que sus reacciones están acopladas. Los metabolitos y el ATP producidos en el catabolismo se emplean en el anabolismo para poder elaborar moléculas complejas.

Los glúcidos son las biomoléculas más utilizadas para obtener energía en los seres vivos. De ellas la principal es la glucosa. Los animales obtienen la glucosa por la degradación del glucógeno del hígado o del de sus reservas citoplasmáticas. La degradación del glucógeno tiene lugar en el citosol. La enzima glucógeno fosforilasa introduce los grupos fosfatos en los extremos no reductores del glucógeno, liberando moléculas de glucosa-1-fosfato. Éstas se incorporarán a la glucólisis previa transformación en glucosa-6-fosfato.

La glucosa comienza su degradación en el proceso de la glucólisis, en el citoplasma. Obtenemos dos moléculas de ácido pirúvico, ATP y NADH. El destino del pirúvico dependerá del tipo de célula y de la disponibilidad de oxígeno, pudiendo darse fermentación o respiración.

• Fermentación de la glucosa: se trata de una oxidación parcial, en el citosol, en la que el pirúvico no entra en el ciclo de krebs y los aceptores finales son moléculas orgánicas.
• Respiración de la glucosa: es una oxidación total en la que los aceptores de protones y electrones son moléculas inorgánicas, lo que distingue a: 
• Respiración aerobia: se da en la mitocondria. El pirúvico se oxida hasta C02 mediante la descarboxilación oxidativa y el ciclo de krebs. El aceptor final de electrones y protones es el oxígeno molecular, el cual se reduce a H2O. 
• C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) -----> 6 CO2 (g) + 6 H2O (l) + calor.
• Respiración anaerobia: es exclusiva de ciertos microorganismos. El pirúvico se oxida a CO2 por rutas diversas. Los aceptores finales de electrones y protones son sustancias inorgánicas variadas.

La glucólisis es una ruta metabólica de 10 reacciones mediante la que una molécula de glucosa es oxidada, mediante fosforilación a nivel de sustrato, hasta formar 2 moléculas de ácido pirúvico, obteniendose 2 ATP y poder reductor (NADH). Se divide en: 

• Preparación: La glucosa se rompe en dos de gliceraldehído-3-fosfato, con gasto de 2 ATP. 
• Oxidación: Las moléculas de G-3-P son oxidadas por NAD+ para formar ácido 1,3 bifosfoglicérico.
• Fosforilación: Las dos moléculas de ácido 1,3 bifosfoglicérico se transforma en ácido pirúvico, obteniendose 4 ATP. 

La fermentación de la glucosa se tratan de oxidaciones parciales, sin necesidad de oxígeno, en las que los electrones de la glucosa pasan al NADH y, finalmente, a moléculas orgánicas sencillas, el rendimiento energético de este proceso es pequeño (2 ATP). Al final se recupera el NAD+ para poder seguir la glucólisis. Podemos diferenciar la alcohólica y la láctica.

La fermentación alcoholica es la típica de levaduras del genero Saccharomyces. El pirúvico se transformará en CO2 y etanol en dos etapas: la descarboxilación del pirúvico y la reducción del acetaldehído. En la fabricación de vino, el etanol procede de la glucosa de la uva. La fermentación láctica  es típica de microorganismos de la leche, utlizan lactosa para obtener energía y también es típica en células musculares, cuando el músculo realiza un trabajo intenso, trabaja en condiciones anaerobias, realiza fermentación y produce ácido láctico, dando fatiga muscular.

La respiración aerobia de la glucosa permite obtener toda la energía de la glucosa gracias a su oxidación total mediante una serie de etapas: glucólisis, descarboxilación oxidativa (gracias a la enzima piruvato deshidrogenasa el pirúvico da ácido acético que se transfiere a una molécula de coenzima A para formar acetil -coA), ciclo de Krebs (reacciones que oxidan el CO2, por cada ácido acético oxidado se forman 3NADH, 1FADH y 1GTP, este ciclo se produce en ocho etapas), transporte de electrones (reacciones que llevan los e- desde el NADH y el FADH hasta el oxígeno que, junto a los hidrógenos, formará agua. En la cadena los electrones fluyen a favor del potencial de oxido-reducción, desde las coenzimas reducidas NADH y FADH2 hasta el oxígeno. Consta de varios complejos multiproteicos: complejo I,II,III y IV) y fosforilación oxidativa (síntesis de ATP gracias a la fuerza protón-motriz). El balance energético de las fermentaciones se obtiene 2 ATP y en la respiración aerobia 38 ATP.

Los lípidos desempeñan muchas funciones en la célula, una de las cuales es la de suministrar energía, sobre todo a partir de triglicéridos. Estos triglicéridos sufren una lipólisis, la cual produce glicerina y ácidos grasos, estos tiene una propiedad energética más grande que la glucosa. Sin embargo el catabolismo sufren una proteolisis en los lisosomas, dando lugar a aminoácidos que pasan por diferentes rutas metabólicas específicas, en las que se pierde el grupo amino y se puede llegar a convertir en acetil-CoA o en pirúvico, entrando en el ciclo de Krebs.

La célula realiza una gran cantidad de procesos anabólicos, entre los que destacan la biosíntesis de aminoácidos y proteínas, la biosíntesis de ácidos grasos, la de ácidos nucleicos, la del glucógeno y la gluconeogénesis. La gluconeogénesis es justamente el proceso inverso a la glucólisis, salvo algunas reacciones que requieren rutas diferentes y un gran aporte de energía. 

El anabolismo autótrofo nos centraremos en la fotosíntesis, es un proceso anabólico para obtener materia orgánica a partir de la inorgánica y con ayuda de la energía lumínica, tiene lugar en los cloroplastos de eucariotas de organismos fotosintéticos. Consta de dos partes de la fase lumínica y la fase oscura.

La fase lumínica: cuando la planta siente la radiación solar, comienza a absorber mediante unos complejos llamados fotosistemas. Estos fotosistemas se dividen en dos: fotosistema I y fotosistema II (PSI y PSII en adelante), ambos encargados de captar la luz y utilizar la energía para impulsar el transporte de electrones mediante la cadena de receptores. Esta cadena lleva a los electrones desde la molécula de agua hasta formar ATP, sucediéndose diversos procesos bioquímicos intermedios que aumentan la energía que tenían los electrones en su estado fundamental. Al final, el centro del fotosistema II separa el agua en dos protones (H+), un átomo de oxígeno (O) y dos electrones.

Ese átomo de oxigeno se une al sobrante de otra molécula de agua y se produce la emisión del oxígeno atmosférico (O2).

En cuanto a la energía que absorbe la clorofila, hay que señalar que responde a dos longitudes de onda concretas: 680 y 700 nanómetros. En función de la longitud de onda que perciba la planta, se pondrán en funcionamiento uno u otro fotosistema, alterando levemente el curso de la fotosíntesis. A continuación, dicha energía lumínica en forma de fotón se transmite a los electrones externos de las moléculas de la clorofila. Estos fotones escapan de la clorofila, se unen a la cadena transportadora de electrones y producen una corriente eléctrica en el cloroplasto.

Dicha energía se puede utilizar en la síntesis de ATP mediante la fotofosforilación y en la síntesis de NADPH. De hecho, ambos compuestos serán imprescindibles para que la planta lleve a cabo la segunda fase: sintetizar azucares y producir sacarosa y almidón.

Además, la fotofosforilación puede ser acíclica o cíclica, en función del recorrido que sigan los electrones a través de los fotosistemas. No haremos la explicación científica de los dos tipos de fotofosforilaciones ya que son procesos muy complejos y poco se entendería. Simplemente, hay que señalar que, en función de cuál de los dos tipos de fotofosforilación se dé, la planta producirá, o no NADPH, al igual que liberará o no oxígeno.

La fase oscura, también conocida como biosintética o asimilatoria, es la segunda fase del proceso de fotosíntesis. En esta etapa se producen un cumulo de reacciones que no necesitan de la luz solar y que convierten el dióxido de carbono, entre otros compuestos, en azucares. Hay que señalar que, aunque la fase oscura en las plantas de marihuana y en las demás, no necesita la luz solar de forma directa, si que está regulada de forma indirecta por la misma. Esto se debe a que algunas enzimas implicadas en el proceso de asimilación del carbono si que dependen de la luz solar.

Fuentes: BioGeo, Geaseeds.