CATABOLISMO

Conjunto de reacciones químicas celulares, en las que a partir de moléculas complejas (glúcidos, ácidos grasos, grasas, polisacáridos, proteínas…), se forman otras más sencillas, (etanol, CO₂, H₂O, glucosa, gliceros… ) líberándose la energía contenida en los enlaces de dichas moléculas.
Destrucción de moléculas complejas a otras sencillas.  Se forman precursores metabólicos o moléculas sencillas. Se trata de procesos DEGRADATIVOS u oxidativos (reacciones de oxidación)de moléculas energéticas. Se libera energía que permite la síntesis de ATP o de poder reductor.
La energía desprendida es almacenada en forma de ATP, o bien recogida por hidrógenos y electrones altamente energéticos se unen a transportadores que se reducen. Los coenzimas que recogen a estos hidrógenos se reducen en el proceso.

Ejemplos: glucólisis, betaoxidación de ácidos grasos, degradación de proteínas o cualquier proceso degradativo de moléculas

ANABOLISMO

Comprende el conjunto de reacciones en las que a partir de moléculas sencillas  (CO₂, H₂O…), la célula obtienen otras más complejas (azúcares, aminoácidos, ácidos grasos…), con gasto de energía o bien a partir de moléculas sillares se construyen otras mayores o polímeros de ellas.
Construcción de moléculas complejas a partir de sencillas, El anabólico ocurre tanto para la formación o síntesis de moléculas sencillas como glucosa, ácidos grasos… A partir de otras más simples, como la formación de polímeros a partir de sus monómeros, como la síntesis de almidón a partir de glucosa. Se trata de procesos CONSTRUCTIVOS o reductores (reacciones de reducción). En estas reacciones se consume enrgía. La energía necesaria para fabricar nuevas moléculas es aportada tanto por el ATP como por los coenzimas reducidos obtenidos en la etapa anterior NADH y FADH2. Aquí los coenzimas (transportadores de H) se oxidan al tiempo que otra moléculas recoge los electrones y protones reducíéndose.Ejemplos: fotosíntesis, gluconeogénesis, síntesis de ácidos grasos, grasas…

DIGESTIÓN CELULAR

Tras la incorporación de moléculas al interior de la célula en una vesícula endocítica también llamada fagosoma o vesícula heterofágica, se produce la digestión intracelular en la que participan los LISOSOMAS.

Los lisosomas primarios ricos en enzimas hidrolíticas, se unen al fagosoma mezclando su contendido con la molécula que transporta éste, formándose un lisosoma secundario o fagolisosoma en el que se produce la digestión.

Una vez finalizada se obtiene moléculas como Aa, glúcidos sencillos, ácidos grasos, nucleótidos o sus componentes, moléculas  capaces de atravesar la membrana del fagolisosoma y pasar al citoplasma.

Los restos no digeridos permanecen en una vesícula de desecho o residual y son expulsados por exocitosis al exterior.

ELIMINACIÓN DE DESECHOS

Se realiza por exocitosis al fusionar la vesícula residual su membrana con la de la célula proceso denominado APOSICIÓN. La eliminación de estos residuos se denomina EGESTIÓN. Otras moléculas pequeñas que se producen durante el metabolismo celular se expulsan a través de la membrana simplemente como es el caso del CO2.

ATP

Es un nucleótido trifosfatado que actúa como moneda energética de las células. Los enlaces fosfato que lo forman son altamente energéticos de manera que para sintetizar la molécula es necesario el aporte de energía. Del mismo modo, cuando los enlaces fosfato se rompen dicha energía es liberada y aprovechada por la célula para la síntesis de otras moléculas.

Sus funciones son: o Producir energía para el movimiento. // o Participar en procesos de transporte de moléculas a través de la membrana como en las bombas Na-K o Ca.

o Interviene en el proceso de flujo de información genética en las células.

o Participa en los procesos que conllevan movimientos de la célula…

RESPIRACIÓN CELULAR

1.)

Es un conjunto de reacciones que ocurren tras la glucólisis, en presencia de oxígeno y en el interior de la mitocondria.

2.)

Durante este proceso, las moléculas de acetil CoA se vana oxidar completamente hasta CO2 y H2Oal tiempo que se obtiene ATP y poder reductor en forma de NADH Y FADH2. 

3.)

Se puede decir que la respiración consta de cuatro etapas: 

1.- OBTENCIÓN DE ACETIL CoA

La procedencia del acetil CoA varía ya que puede provenir de la degradación de azúcares, de la beta oxidación de ácidos grasos o de la degradación de aminoácidos.
Para que este proceso ocurra, es necesario que el ácido pirúvico obtenido en la glucólisis (que ocurríó en el citoplasma) entre en la mitocondria. La entrada de ácido pirúvico se produce con una descarboxilación oxidativa del mismo al tiempo que se obtiene NADH + H y se une a la molécula que se forma el coenzima A. Se obtiene como resultado Acetil CoA.
El acetil CoA será oxidado completamente hasta CO2 al tiempo que se obtiene energía, en una secuencia de reacciones incluyen tres procesos que son:

2.-CICLO DE KREBS

. También llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico.
a. Se desarrolla en la matriz mitocondrial,
b. Tiene como objetivo la oxidación del grupo acético del acetil-CoA y la obtención de coenzimas reducidos (FADH2 y NADH) para la cadena respiratoria.
c. Es un proceso cíclico que consta de 7 reacciones en el que la molécula de 2 at de C (acetil CoA) se une a una molécula de 4 at de C (oxalacético) y en él, la molécula de acetil Co A se oxida hasta CO2 regenerándos el oxalacético inicial para iniciar de nuevo el ciclo.
d. En el ciclo se producen:
Dos reacciones de descarboxilación oxidativa en las que se desprenden dos CO2.
Una reacción de fosforilación que produce un GTP transformable en ATP.
Dos moléculas de CoA-SH, de las que una vuelve a utilizarse en el ciclo.
Tres moléculas de NADH/H+y una de FADH2, que pasarán a la cadena de transporte electrónico, donde serán oxidados.

3.- CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES (c.T.E)

Se localiza en la membrana interna de las mitocondrias.
· Está compuesta por un conjunto de moléculas ordenadas atendiendo a su potencial de oxidación-reducción

· Cada componente de la c.T.E cede electrones altamente energéticos a la siguiente molécula y los capta de su antecesora. Así los electrones viajan del componente de la cadena o par redox más electronegativo que es el par NAD, NADH, hasta el más electropositivo de todos que es el O2.

· En ella se distinguen cuatro complejos que son el complejo NADH, NAD, complejo del coenzima Q o ubiquinona, complejo formado por los citocromos b-c, complejo citocromo a (oxidasa)que se van oxidando y
reduciendo al captar y ceder e-.

Los H recogidos por las coenzimas NAD Y FAD que se han reducido a NADH y FADH2 en los procesos de glucólisis, ciclo de krebs…, se desdoblan en H+ y e-, quedando los H+ en la matriz de la mitocondria y siendo los e- los que viajan a lo largo de la cadena de transporte de electrones.
· En cada salto, al tiempo que una molécula de la cadena se oxida al ceder electrones, otra capta los electrones y se reduce preparándose para cederlos a la siguiente molécula de la cadena. Además en cada transferencia, se libera parte de la energía que está contenida en los electrones.
· El aceptor final de los electrones de la cadena es el O2 (media molécula junto con H+ del medio y los electrones acetados) que reduce a agua.

4.-

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

· Ocurre gracias a la presencia de ATP sintetasas o ATPasas presentes en la membrana interna de la mitocondria (recordar que tenían una partícula F0 localizada en el interior de la membrana y por tanto hidrófoba, y una cabeza o partícula F1 orientada hacia la matríz mitocondrial que sintetizaba ATP a partir de ADP + Pi)
· En este proceso, la energía liberada por los electrones altamente energéticos en la c.T.E, va a ser aprovechada para sintetizar ATP
· La teoría que mejor explica este proceso de obtención de ATP es:

Teoría quimiosmótica de Michael

.
o Esta teoría propone que en el viaje de los electrones a lo largo de la cadena, estos en algunos de sus puntos liberan energía suficiente como para bombear H+ (que hemos dicho que se van acumulando en la matriz mitocondrial) desde el interior de la mitocondria al espacio entermembranso. Este bombeo genera:
o Una diferencia de potencial o de carga entre la matriz que se carga negativamente y el espacio intermembranoso que se carga positivamente al recibir H+.
o Una diferencia de concentración de H+ entre el interior y el exterior de la membrana interna de la mitocondria.
o  Se genera por tanto un GRADIENTE ELECTROQUÍMICO que va a ser usado como fuerza protomotriz para formar ATP
o  El retorno de estos H+ (más concentrados ahora en el espacio intermembranoso ) se hace a través de unos complejos ATP sintetasas que fosforilan el ADP aprovechando el paso de estas partículas a favor de gradiente de concentración
o Cada dos electrones que viajan por la cadema, se bombean 10 H+ 

FOTOSÍNTESIS

Es el proceso por el cual a partir de moléculas inorgánicas (CO₂, agua y sales minerales) y utilizando como fuente de energía la luz, algunos organismos fabrican materia orgánica al tiempo que se libera oxígeno a la atmósfera.

Importancia de la fotosíntesis

1.
Mediante este proceso, la energía luminosa es transformada en energía química en forma de ATP Y NADPH que serán utilizados para sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica. Se trata pues de un proceso del que depende el resto de los seres vivos, los heterótrofos, incapaces de fabricar moléculas orgánicas por si solos. Esto hace que los organismos autótrofos fotosintéticos constituyan la base de las cadenas tróficas sirviendo como alimento a otros organismos.
2. Se trata del único proceso en el que se libera oxígeno a la atmósfera.

3. La fotosíntesis es importante también desde el punto de vista evolutivo, ecológico y agrícola

o Desde el punto de vista evolutivo porque la aparición de este proceso supuso un importante cambio en la atmósfera al liberarse a ella oxígeno.

O Por otro lado la aparición del oxígeno y su acumulación en la atmósfera permitíó la formación de la capa de ozono que situada en la estratosfera, actúa como una capa protectora que filtra la radiación ultravioleta del sol.

o Desde el punto de vista de los ecosistemas ya os he comentado la importancia de la fotosíntesis como proceso que además de desprender oxígeno, permite sintetizar materia orgánica que sirve de alimento para el resto de los organismos vivos.

oDesde el punto de vista agrícola, la fotosíntesis también es importante ya que del rendimiento de las plantas de consumo humano, ya sea para su consumo directo o bien para alimentar a especies que nos sirven con distintos fines, depende en gran medida nuestra economía.

Fases de la fotosíntesis

Fase luminosa

. Se pueden distinguir tres procesos en esta fase.

1. Captación de energía luminosa. Esta captación ocurre gracias a la presencia de pigmentos fotosintéticos, clorofila y carotenoides (carotenos y xantofilas de color anaranjado y que absorben radiaciones con diferente longitud de onda.

La clorofila es una molécula compleja que contienen magnesio, siendo las más importantes la a y b. En el cloroplasto, los pigmentos están estrechamente asociados a proteínas y se alojan en la bicapa lipídica de los tilacoides. Según el modelo admitido actualmente, estos complejos proteína-clorofila se encuentran empaquetados formando unidades denominadas foto-sistemas.
La molécula de clorofila se asocia a proteínas de la membrana del tilacoide formando complejos antena que recogen la luz de determinada longitud

Cuando la energía de la luz se absorbe por los pigmentos de la antena, pasa de una molécula a otra de pigmento del fotosistema hasta que alcanza una forma especial de clorofila a que constituye el centro de reacción del fotosistema. Estos centros de reacción están constituidos por clorofila y proteínas.

Existen dos tipos de fotosistemas:

-FOTOSISTEMA I (contiene al P700 y transportadores (aceptor de electrones, ferredoxina y ferredoxina reductasa).Contiene clorofila a

-FOTOSISTEMA II (contiene al P680 y transportadores de electrones.)- Mas clofofila b que a.

Las plantas cuentan con ambos fotosistemas, mientras que las bacterias tienen el fotosistema I solamente mucho más primitivo.

2.   Transporte de electrones. Ocurre en la membrana del tilacoide con la intervención de los fotosistemas. Las moléculas transportadoras que forman parte de los fotosistemas se encuentran ordenadas según su potencial de oxidación y reducción de modo que son capaces de recibir un electrón altamente energético y cederlo al transportador siguiente que se reduce al tiempo que él se oxida.

3. Síntesis de ATP.-  Se bombean protones H+ desde el estroma hacia el interior del tilacoide y su retorno al estroma del cloroplasto se realiza por una ATP sintetasa que fosforila el ADP. Esto se debe al igual que en el caso de la mitocondria, a que se genera un gradiente entre ambos medios.

Por un lado se van concentrando en el tilacoide protones procedentes de la fotolisis del agua y por otro los que aprovechando la energía que libera el  electrón en su viaje, pasan desde el estroma al tilacoide en contra de gradiente. Se genera un gradiente electro químico (el pH del tilacoide es de 5 y el del estroma de 8) de modo que la disipación de ese gradiente con el retorno de los H+ al estroma por las ATP asas permite sintetizar ATP. A esta forma de sintetizar ATP usando luz se denomina FOTOFOSFORILACIÓN.

 En ella el electrón describe un circuito cerrado en el que el aceptor final de los electrones, parte del fotosistema I (P700) y regresa a él tras ceder su energía.

Esta fotofosforilación la realizan las bacterias (no tienen fotosistema II) y también las plantas cuando solo necesitan ATP pero no NADPH.

Participa por tanto un solo fotosistema.

No se obtiene poder reductor.

No se libera oxígeno ya que no se rompe la molécula de agua por fotólisis.

En este caso el electrón realiza un recorrido por los dos fotosistemas, el I y el II.

Este tipo de fotofosforilación ocurre en las plantas.

En este caso el aceptor final de los electrones altamente energéticos es el NADP  que se reduce a NADPH, y además se sintetiza ATP.

Se produce la fotolisis del agua por lo que se libera oxígeno en ella.

Debido al recorrido que describe el electrón en este caso, se denomina “esquema en Z”

Fase oscura

.- Descubierta y descrita por Melvin Calvin en 1950.

También se le denomina Ciclo de las pentosas fosfato.

Transcurre en el ESTROMA del cloroplasto.

Esta fase es independiente de la luz.

Finalidad. Sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica utilizando la energía que se ha obtenido en la fase luminosa del proceso.

Se utiliza CO₂ obtenido a través de las hojas y partes aéreas del vegetal y H₂O que se absorbe por las raíces de la planta. Con estos elementos se fabrica GLUCOSA. 

Consta de tres etapas que son:

Fijación del CO2.-

El CO2 atmosférico tomado por los estomas de las partes aéreas de la planta, se une a una molécula de 5 átomos de carbono denominada Ribulosa 1-5 difosfato. Esta reacción es catalizada por una enzima denominada RUBISCO, es la enzima más importante de la fase oscura y presenta tanto actividad caboxilasa o como oxidasa lo que va a depender de la cantidad de CO2 del momento. Si hay suficiente CO2, la enzima actúa como carboxilasa producíéndose el ciclo de Calvin y si en el medio existe por el contrario poco CO2 la enzima actúa como oxidasa uníéndose al oxígeno atmosférico y produciendo una disminución en el rendimiento de la fotosíntesis.

Reducción del átomo de C procedente del CO2

  El C procedente del CO2, sufre una reducción en la que interviene el ATP Y EL NADPH de la fase luminosa. El PGA se transforma en 3  fosfogliceraldehido (se ha consumido energía en este proceso).

Regeneración de la ribulosa 1-5 difosfato

En unas secuencia de reacciones cíclicas (dado que es un ciclo) se forman varios intermediarios de 3,4,5,6,7 átomos de carbono que permiten reponer la ribulosa 1-5difosfato inicial para que el ciclo se continúe al tiempo que se sintetiza una hexosa, la glucosa.

Glucólisis:

1. Es un proceso que ocurre en el citoplasma.
2. Es quizás la ruta de degradación de azúcares más antigua realizada por todos los tipos celulares a excepción de algún microorganismo por lo que se le considera universal.
3. Se trata de un proceso que no requiere la presencia de oxígeno y por tanto ocurre tanto en aerobiosis como en anaerobiosis.
4. Es un proceso degradativo u oxidativo en el que a partir de una molécula de glucosa (monosacárido de 6 at. De C) se obtienen dos moléculas de tres átomos de carbono, el ácido pirúvico o piruvato, ATP y NADH (poder reductor que servirá para obtener ATP en la cadena de transporte de electrones).
5. Todo el proceso está catalizado por diferentes enzimas, siendo la mayoría de las reacciones de esta ruta reversibles.
6. Consta de 10 reacciones químicas secuenciadas en las que el producto de una reacción constituye el sustrato de la enzima para la realización siguiente.
Se puede dividir la glucólisis en tres etapas:

A/ Etapa de fosforilación de hexosas

Durante esta etapa se va a producir una fosforilación y posterior isomerización obteniéndose finalmente una hexosa, la fructosa unida a dos grupos fosfato y que por tanto han consumido 2 ATP.
Finalmente la molécula de seis átomos de C (fructosa 1-6 BiP) se rompe en dos triosas (un aldehído y una cetosa). A partir de este momento, todo lo que se consume o se obtiene lo
duplicamos puesto que ambas triosas son oxidadas en la célula b/ Etapa de oxidación del tres fosfogliceraldehido en 3 fosfoglicerato.)
En esta segunda fase se produce la oxidación del grupo aldehído a grupo ácido en una secuencia de dos reacciones en las que además de obtenerse NADH, ocurre una fosforilación a nivel de sustrato y se forma ATP c/ Etapa de oxidación del 3PGlicerato a Piruvato.
Durante esta etapa, el 3Pglicerato continúa su oxidación hasta ácido pirúvico en una secuencia de cuatro reacciones en la que se libera ATP.

FERMENTACIÓN

Proceso en el que el aceptor final de los electrones es una molécula orgánica que se reduce pero que puede continuar el proceso de oxidación.

Se trata de un proceso degradativo que ocurre en el citoplasma celular.
· Ocurre en anaerobiosis, es decir, en ausencia de oxígeno.
· Se trata de un proceso en el que el aceptor final de los electrones que se liberan durante procesos degradativos de metabolito, siendo el más frecuente la glucosa, son recogidos por una molécula orgánica ( y no por el O2 como ocurre en la respiración celular). Esto hace que parte de la energía contenida en la molécula, no sea aprovechada.
· Es un proceso poco rentable energéticamente hablando ya que por cada molécula que se degrada se obtienen tan solo 2 ATP frente a los 38 ATP que se obtienen con la glucólisis y la respiración celular.
· Su finalidad es por tanto obtener energía para el organismo cuando las condiciones son anaerobias.
· Atendiendo al producto final que se obtiene,  se diferencian dos tipos de fermentación:
o Fermentación láctica, Se obtiene ácido láctico. Muy empleada por microorganismos y aprovechada en aplicaciones industriales como en la elaboración de lácteos. También las células humanas musculares llevan a cabo esta ruta metabólica en circunstancias en las que no recibe oxígeno suficiente pero se necesita energía.
o Fermentación alcohólica.- Se obtiene etanol. Realizada por microorganismos y también con aplicaciones industriales. 

RESPIRACIÓN ANAEROBIA

– En este caso tampoco hay oxígeno pero tiene las siguientes carácterísticas:
1. Es un proceso catabólico en el que se degradan monosacáridos y otras moléculas.
2.Se produce la oxidación de la materia orgánicaque liberaelectrones que en este caso son captadospor moléculas inorgánicas como nitratos o sulfatos que se reducen..
3. Cuenta con una cadena de transporte de electrones.
4. Su rendimiento energético es menor que el de la respiración aerobia.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSÍNTESIS.

Intensidad de la luz

– En general al aumentar la intensidad lumínica aumenta también la actividad fosintética hasta un limite  en el que dicha actividad se mantiene. Existen no obstante plantas adaptadas a diferentes intensidades lumínicas.

Concentración de CO2

– El rendimiento fotosintético aumenta al aumentar la cantidad de este gas hasta un valor por encima del que se produce una saturación del enzima rubisco y deja de actuar.

La Temperatura es otro factor determinante que permite aumentar el rendimiento de este proceso. Por encima de una determinada temperatura, el proceso se ralentiza y detiene.

Humedad del suelo y aire también son importantes, si hay poca humedad, la planta cierra los estomas para evitar la evapotranspiración lo que impide por otra parte la captación de CO2 atmosférico y el proceso se ralentiza.

Cantidad de O2

– Este gas compite con el CO2 por unirse a la rubisco por lo que cuando su concentración es alta, se une a este enzima impidiendo el ciclo de Calvin y favoreciendo la fotorrespiración de la planta.

QUIMIOSÍNTESIS

Proceso metabólico realizado únicamente por algunas bacterias autótrofas. Consiste en la obtención de energía (ATP) a partir de la oxidación de diversas sustancias inorgánicas; y el posterior uso de esa energía para transformar sustancias inorgánicas en compuestos orgánicos. 

Finalidad

– Consisten en la síntesis de materia orgánica a partir de materia inorgánica pero empleando como fuente de energía aquella que se desprende en reacciones químicas celulares de oxidación de moléculas inorgánicas.

Importancia

La importancia de este proceso está relacionada con los ciclos biogeoquímicos, posibilitando la vida en el planeta y devolviendo al sustrato las sustancias procedentes de la oxidación de materia de descomposición de los organismos muertos. De este modo, los restos de los seres vivos se transforman en sales minerales de nitrógeno o azufre que pueden ser de nuevo absorbidas por los vegetales.

La fuente de carbono para la síntesis de materia orgánica es el CO2

Transcurre en una serie de fases que son:

Obtención de energía.-

Procede de la oxidación de moléculas inorgánicas como el amoniaco, nitritos, hidrógeno o sulfuro de hidrógeno… Esta oxidación permite la liberación de electrones energéticos que pasan a una cadena de transporte de electrones similar a la de la respiración aerobia en la que se sintetiza ATP. Además se fotma también poder reductor. Además un flujo de protones que circulan desde el citoplasma hacia el especio intermembranoso de los mesosomas, permite la síntesis de ATP con la intervención de una ATPasa, en un proceso similar a la fosforilación oxidativa. Parte del ATP se emplea en la síntesis de NADH.

Fijación del CO2 para formar materia orgánica en un proceso similar al ciclo de Calvin, aunque otras bacterias utilizan un ciclo de Krebs en sentido inverso .

Las bacterias quimiolitótofas se clasifican atendiendo al producto que obtienen.

Bacterias del nitrógeno

.- Se encuentran en los suelos y son necesarias para que se produzca el ciclo del nitrógeno. Existen dos tipos

Las que oxidan el amoniaco en nitritos como Nitrosomonas. Se denominan bacterias Nitrosificantes.

Las que oxidan los nitritos a nitratos como Nitrobacter. Se les denomina bacterias Nitrificantes.

Bacterias del azufre

. Viven en aguas residuales, pantanosas y en manantiales en donde abunda el sulfhídrico y otros compuestos azufrados que pueden oxidarse para obtener energía.

Bacterias del hierro o ferrooxidantes que oxidan el hierro ferroso a férrico. Aparecen en zonas mineras.

Bacterias oxidantes del hidrógeno y del metano que abundan en los fondos oceánicos.