¿Qué es el metabolismo celular? En este post te explicaremos en que consiste el metabolismo a nivel celular y como se divide.
¿Qué es el metabolismo celular?
El metabolismo celular es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en el interior de una célula para mantenerla viva, funcional y en equilibrio. Estas reacciones permiten que las células crezcan, se dividan, respondan a estímulos y mantengan su estructura interna.
El metabolismo se puede dividir en dos grandes procesos: anabolismo y catabolismo, cada uno con roles y características específicas. Además, las enzimas y el ATP (adenosín trifosfato) desempeñan roles importantes en la regulación y provisión de energía para estas reacciones.
¿Qué es el Anabolismo?
El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que construyen moléculas complejas a partir de moléculas más simples. Este proceso requiere energía, generalmente proporcionada por el ATP. Los procesos anabólicos son esenciales para el crecimiento y reparación de tejidos, así como para la producción de reservas de energía.
El anabolismo involucra tres facetas. Primero, la producción de precursores como aminoácidos, monosacáridos, isoprenoides y nucleótidos; segundo, su activación en reactivos usando energía del ATP; y tercero, el conjunto de estos precursores en moléculas más complejas como proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos.
- Síntesis de Proteínas: Las células utilizan el anabolismo para construir proteínas a partir de aminoácidos. Este proceso es vital para la creación de enzimas, hormonas y estructuras celulares.
- Síntesis de Ácidos Nucleicos: El ADN y el ARN son sintetizados a partir de nucleótidos. Esta síntesis es crucial para la reproducción celular y la transmisión de información genética.
- Síntesis de Lípidos: Los lípidos, como las grasas y los fosfolípidos, se producen a partir de ácidos grasos y glicerol. Estos lípidos son importantes para la formación de membranas celulares y como reservas de energía.
La Fotosíntesis: Un Ejemplo de Anabolismo
La fotosíntesis es uno de los procesos anabólicos más importantes en la naturaleza. Es el mecanismo mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía solar en energía química, almacenada en moléculas de glucosa. Este proceso no solo es fundamental para la vida de las plantas, sino que también es crucial para la vida en la Tierra, ya que produce oxígeno como subproducto y proporciona la base de la cadena alimentaria.
Fases de la Fotosíntesis
La fotosíntesis se divide en dos fases principales: las reacciones dependientes de la luz (fase luminosa) y las reacciones independientes de la luz (fase oscura o ciclo de Calvin).
Fase Luminosa
Esta fase ocurre en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos. Aquí es donde la energía de la luz solar se convierte en energía química en forma de ATP y NADPH. Esta fase se llama luminosa porque depende directamente de la luz solar.
- Captura de Luz: Los pigmentos, principalmente la clorofila, capturan la luz solar. La clorofila absorbe principalmente luz en los rangos azul y rojo, y refleja luz verde, lo que da a las plantas su color característico.
- Fotólisis del Agua: La energía de la luz es utilizada para dividir las moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones. Esta reacción se conoce como fotólisis y ocurre en el fotosistema II.
- Transporte de Electrones: Los electrones liberados de la fotólisis del agua son transferidos a través de una serie de proteínas en la membrana del tilacoide, conocido como la cadena de transporte de electrones. Este proceso crea un gradiente de protones que impulsa la producción de ATP por medio de la ATP sintasa.
- Formación de ATP y NADPH: La energía de los electrones es utilizada para bombear protones a través de la membrana tilacoide, creando un gradiente de protones. Este gradiente impulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi). Simultáneamente, los electrones reducen NADP+ a NADPH.
Fase Oscura (Ciclo de Calvin)
Esta fase ocurre en el estroma de los cloroplastos y no requiere luz directa, pero utiliza el ATP y el NADPH producidos en la fase luminosa para sintetizar glucosa a partir de dióxido de carbono (CO₂). Este proceso se conoce como el ciclo de Calvin o ciclo de las reacciones de fijación de carbono.
Fijación de Carbono: El CO₂ se fija en una molécula de ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP) mediante la enzima rubisco, formando un compuesto inestable de seis carbonos que se descompone en dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3-PGA).
Reducción: El 3-PGA es reducido a gliceraldehído-3-fosfato (G3P) utilizando el ATP y el NADPH generados en la fase luminosa. Cada molécula de 3-PGA recibe un fosfato del ATP y un electrón del NADPH.
Regeneración de RuBP: Parte del G3P se utiliza para regenerar el RuBP, permitiendo que el ciclo continúe. Este proceso también utiliza ATP.
Síntesis de Glucosa: Finalmente, parte del G3P se utiliza para formar glucosa y otros carbohidratos. Para producir una molécula de glucosa (C6H12O6), el ciclo de Calvin debe girar seis veces, fijando seis moléculas de CO₂.
Importancia de la Fotosíntesis
Producción de Oxígeno: La fotosíntesis libera oxígeno como subproducto, el cual es esencial para la respiración de la mayoría de los organismos en la Tierra.
Base de la Cadena Alimentaria: La glucosa producida es utilizada por las plantas como fuente de energía y material de construcción, y pasa a través de la cadena alimentaria, sustentando a los herbívoros y, en última instancia, a los carnívoros.
Regulación del CO₂: La fotosíntesis ayuda a reducir el dióxido de carbono en la atmósfera, contribuyendo a mitigar el cambio climático
¿Qué es el Catabolismo?
El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que descomponen moléculas complejas en moléculas más simples, liberando energía en el proceso. Esta energía se almacena principalmente en forma de ATP y se utiliza para impulsar las actividades celulares.
El conjunto de reacciones catabólicas más común en animales puede ser separado en tres etapas distintas. En la primera, moléculas orgánicas grandes como las proteínas, polisacáridos o lípidos son digeridos en componentes más pequeños fuera de las células. Luego, estas moléculas pequeñas son llevadas a las células y convertidas en moléculas aún más pequeñas, generalmente coenzima A, que libera energía. Finalmente, el grupo acetil en la molécula de acetil CoA es oxidado a agua y dióxido de carbono, liberando energía que se retiene al reducir la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) en NADH.
Un ejemplo de catabolismo es la respiración.
- Glucólisis: La glucosa se descompone en piruvato, produciendo una pequeña cantidad de ATP y NADH. La glucólisis ocurre en el citoplasma de la célula y no requiere oxígeno.
- Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico): El piruvato se convierte en acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs dentro de las mitocondrias, generando ATP, NADH y FADH2.
- Cadena de Transporte de Electrones: Los electrones del NADH y FADH2 se transfieren a través de una serie de proteínas en la membrana mitocondrial interna, produciendo una gran cantidad de ATP mediante la fosforilación oxidativa.
La Respiración Celular: Un Ejemplo de Catabolismo
La respiración celular es uno de los procesos catabólicos más importantes en los organismos vivos. A través de este proceso, las células descomponen moléculas orgánicas, principalmente glucosa, para producir energía en forma de ATP (adenosín trifosfato). Este proceso es esencial para la vida, ya que el ATP es la “moneda energética” que las células utilizan para llevar a cabo sus funciones.
Existen dos tipos principales de respiración celular: la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica.
Respiración Aeróbica
La respiración aeróbica es el tipo de respiración celular que utiliza oxígeno para descomponer moléculas orgánicas y producir energía en forma de ATP. Es el proceso más eficiente para la producción de energía y ocurre en tres etapas principales: glucólisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones.
Fases de la Respiración Celular
La respiración celular consta de tres etapas principales: la glucólisis, el ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico) y la cadena de transporte de electrones.
Glucólisis
La glucólisis ocurre en el citoplasma de la célula y no requiere oxígeno (es un proceso anaeróbico). Durante esta fase, una molécula de glucosa (C6H12O6) se descompone en dos moléculas de piruvato (C3H4O3).
Fase de inversión de energía: La glucosa se fosforila mediante el uso de dos moléculas de ATP, convirtiéndose en fructosa-1,6-bisfosfato.
Fase de escisión: La fructosa-1,6-bisfosfato se divide en dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (G3P).
Fase de generación de energía: Cada molécula de G3P se oxida, produciendo NADH (nicotinamida adenina dinucleótido reducido) y ATP. Al final, se producen un total de cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de NADH, pero como se invirtieron dos ATP al principio, el rendimiento neto es de dos ATP y dos NADH.
Aspectos generales del ciclo de Krebs
Este proceso debe su nombre a quien lo descubrió, Sir Hans Krebs (1937), y recibe también el nombre de Ciclo del ácido cítrico. Es una secuencia repetitiva de transformaciones que se efectúan en las crestas mitocondriales, donde el ácido pirúvico se descompone por medio de enzimas y forma un grupo acetilo, este grupo se combina con la coenzima A formando la acetil-coenzima A, la cual lo transfiere y transforma en ácido cítrico. A partir de esto se llevan a cabo una serie de reaccciones químicas, en las que intervienen enzimas como descarboxilasas y coenzimas aceptoras de hidrógeno como el NAD (dinucleótido de niacina-adenina) y el FAD (dinucleótido de flavin-adenina). En cada una de estas reacciones se separan moléculas para formar H, C 0 2, H20 y energía. Estas reacciones son sintetizadas en la siguiente expresión:
Respiración Anaeróbica
La respiración anaeróbica no utiliza oxígeno y es menos eficiente en la producción de ATP. Este tipo de respiración ocurre en ambientes donde el oxígeno es limitado o ausente. Hay dos tipos principales de respiración anaeróbica: la fermentación láctica y la fermentación alcohólica.
Fermentación Láctica
Ubicación: Citoplasma.
Proceso: La glucosa se descompone en piruvato durante la glucólisis, y luego el piruvato se reduce a lactato, regenerando NAD+ para permitir que la glucólisis continúe.
Ejemplo: Este proceso ocurre en los músculos durante el ejercicio intenso cuando el oxígeno es insuficiente, así como en ciertas bacterias y hongos.
Fermentación Alcohólica
Ubicación: Citoplasma.
Proceso: La glucosa se descompone en piruvato durante la glucólisis, y luego el piruvato se convierte en etanol y dióxido de carbono, regenerando NAD+.
Ejemplo: Este proceso es utilizado por levaduras y algunas bacterias y es fundamental en la producción de bebidas alcohólicas y productos de panadería.
Función de las Enzimas y del ATP en el Metabolismo
Enzimas: Catalizadores Biológicos
Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores, acelerando las reacciones químicas sin consumirse en el proceso. Cada enzima es específica para un sustrato particular y facilita su transformación en productos. Las enzimas juegan un papel crucial en regular la velocidad y la eficiencia de las reacciones metabólicas, permitiendo que las células respondan rápidamente a cambios en su entorno.
- Especificidad: Cada enzima es específica para un sustrato y una reacción en particular.
- Regulación: Las enzimas pueden ser reguladas por factores como la temperatura, el pH y la presencia de inhibidores o activadores.
ATP
El ATP (adenosín trifosfato) es la principal molécula de almacenamiento y transferencia de energía en las células. La energía almacenada en los enlaces fosfato del ATP se utiliza para impulsar muchas reacciones y procesos celulares.
- Síntesis de ATP: El ATP se sintetiza principalmente en las mitocondrias a través de la fosforilación oxidativa y la glucólisis.
- Hidrolisis de ATP: Cuando el ATP se hidroliza a ADP (adenosín difosfato) y un fosfato inorgánico, se libera energía que se utiliza para procesos celulares como el transporte activo, la síntesis de macromoléculas y el movimiento celular.
Para cerrar el tema: ¿Qué es el metabolismo celular?
Ahora ya sabes qué es y como funciona el metabolismo celular, recuerda que este contenido te puede servir de repaso ya que es incluido en la Guía de estudio para ingreso a la universidad en la sección de Biología / La célula