Tema 28 – Necesidades energéticas de la célula. La respiración celular aerobia y anaerobia. La fotosíntesis. La quimiosíntesis.

1. INTRODUCCIÓN.

La fuente primaria de energía para la vida sobre la Tierra es el sol. Está energía es utilizada por los seres vivos por medio de la fotosíntesis, meca­nismo que sólo pueden realizar los seres autótrofos fotosintéticos, que con­vierten la energía solar en energía química mediante la formación de bio­moléculas a las que utilizan seguidamente como combustibles para propor­cionar los requerimientos energéticos necesarios para los procesos vitales. Los seres heterótrofos no pueden utilizar la energía solar, por lo tanto se sustentan de las biomoléculas ricas en energía, creándose de esta forma un flujo de energía biológica, que pasa de la energía solar a los seres autótrofos y de estos a los heterótrofos.

2. NECESIDADES ENERGÉTICAS DE LA CÉLULA.

Los organismo necesitan para su propia existencia energía y materia que la sacan del medio ambiente para realizar los siguientes trabajos:

– Sintetizar y degradar compuestos.

– Transporte a través de las mem­branas (Activo, contra gradiente de concentración).

– Trabajo mecánico (contracción muscular, movimientos de cilios y flagelos).

– Endocitosis y exocitosis.

– División celular.

– Transporte de señales entre el exterior e interior celular.

En los sistemas vivientes, las di­versas sustancias químicas tienden a reaccionar dando productos más simples o más complejos. De acuer­do con los niveles de energía estas reacciones se pueden clasificar como:

– Endergónicas: si requieren ener­gía para su realización, por lo que los productos guardan más ener­gía que la que tenían los reac­tantes.

– Exergónicas: si liberan energía en su realización, por tanto, la ener­gía que guardan los productos es menor que la que poseían los reac­tantes

2.1.Fuentes de carbono y energía para la vida celular.

Basándonos en la forma química del carbono y en la manera de obte­nerlo, podemos dividir las células en^­

– Autótrofas: son aquéllas que pueden emplear como fuentes de carbono el CO₂, constituyendo a partir de él todas sus biomoléculas.

– Heterótrofas: no pueden emplear el CO₂ y tienen que obtener átomos de carbono de su entorno en forma reducida químicamente, bastante compleja, como por ejemplo la glu­cosa.

Las células fotosintéticas y algu­nas bacterias, son autótrofas mien­tras que las células de los animales y de la mayoría de los microorga­nismos son heterótrofas.

Los sistemas vivientes utilizan di­versas formas de energía, entre las más importantes se cuenta la ener­gía química, la energía luminosa, energía eléctrica, energía mecánica y energía calórica. La energía lumi­nosa es utilizada por casi la totali­dad de los seres vivos, quienes pos­teriormente la transforman en ener­gía química y luego en otras formas de energía. La energía es el otro factor divisorio entre las células, según sea la forma en que la obtienen. Las cé­lulas que emplean la luz coma fuente de energía son fotótrofos. Las que utilizan reacciones redox a partir de sustancias químicas son quimiótro­fas, éstas últimas puede ser:

– quimiorganótrofas que ne­cesitan moléculas orgánicas comple­jas como dadores de electrones, a su vez se dividen en aerobios que emplean el oxígeno como aceptor final de electrones y anaerobios que en lugar de oxígenos utilizan otra molécula, otros pueden utilizar el oxigeno y otra molécula denominándose anaerobios facultativos.

– quimiolitótrofas que pueden emplear como donadores de electrones com­puestos inorgánicos sencillos.

Los fotótrofos se dividen en:

– fotolitótrofos cuando los donadores de electrones son com­puestos inorgánicos (H2O, H₂S, S, …)

– fotoorganótrofos cuando son com­puestos orgánicos.

Existen otros grupos además de estos, pero también son importantes, como los fijadores de N.

Tipo de organismo	Ejemplos
fotolitótrofos	Células verdes de plantas superiores, algas, cianofíceas
fotoorganótrofos	Bacterias purpureas no sulfuradas
quimiolitotrofos	Hidrógenos, S, Fe y bacterias nitrificantes
quimiorganótrofas	Animales superiores, microorganismos, células vegetales no fotosintéticas en la oscuridad

La energía que se deriva de la luz y de la oxidación de los alimentos se transforma parcialmente en una forma especial antes de su utiliza­ción para el movimiento, el transporte activo y la biosíntesis. Este trans­portador especial de la energía li­bre es el ATP

2.2.Introducción al metabolismo.

Conjunto de transformaciones que se suceden en las células, bien consi­deradas como individuos aislados, bien formando parte de un tejido. Se denomina anabolismo al conjunto de procesos de síntesis (consumen ener­gía) y catabolismo el conjunto de procesos degradativos (liberan energía).

El metabolismo es la suma de todas las transformaciones, a través de reacciones catalizadas enzimáticamente. Pasan por una serie de fases intermedias, denominado metabolismo intermedio.

El catabolismo implica degradación, oxidación, liberación de E y procesos convergentes

El anabolismo implica síntesis, reducción, absorción de E y procesos divergentes.

Existen rutas lineales, ramificadas y cíclicas.

El proceso de generación de ener­gía se organiza en tres fases funda­mentales.

– Fase I: las macromoléculas se degradan a las moléculas mas simples. Las proteínas 20 aminoáci­dos, los polisacáridos azúcares simples como la glucosa y las grasas glicerol y ácidos gra­sos. Los enzimas hidrolíticos se encuen­tran normalmente en los lisosomas celulares y son vertidos al exterior celular para que realicen allí su fun­ción digestiva, organismos cuya alimentación es difusiva, como por ejemplo los hongos. Otros organismos ingieren los alimentos hasta un compartimien­to interior, vacuola digestiva en los unicelulares, aparato digestivo en los pluricelulares, donde se localiza di­cha función. Las sustancias que re­sultan de la digestión pasan a ser absorbidas a través de la membra­na o de los tegumentos en los seres pluricelulares. La absorción es un proceso activo en el que se consu­me ATP y requiere transportadores y enzimas especiales.

– Fase II: estas numerosas y pe­queñas moléculas se oxidan en un intermediario común acetil-CoA, ocu­rre en el citoplasma y se degradan hasta pocas unidades simples que juegan un papel central en el meta­bolismo, de hecho la mayoría de ellas, azúcares, ácidos grasos, gli­cerol y varios aminoácidos se con­vierten en la unidad acetilo del ace­til-CoA.

– Fase III: comprende el ciclo del ácido cítrico (oxidación de acetil-CoA a dióxido de carbono, la formación de NADH y FADH₂) seguida del transporte de electrones y fosforila­ción oxidativa. Generalmente la ener­gía liberada durante el transporte de los electrones hacia el oxígeno mo­lecular está acoplada a la síntesis del ATP.

Las miles de reacciones que se realizan en una sola célula se pue­den clasificar en seis tipos de pro­cesos químicos;

1. reacciones de oxidación-reduc­ción,(oxido reductasas reacciones de transferencia de electrones)
2. reacciones de transferencia de grupo funcional,(transferasas)
3. reacciones de hidrólisis,(hidrolasas)
4. reacciones de ruptura no hidrolítica (liasas)
5. reacciones de isomerización (isomerasas)
6. reacciones de formación de enlace utilizando energía de la ruptura de ATP.(ligasas)

el metabolismo es un pro­ceso de transformación de energía, donde el catabolismo proporciona la energía para el anabolismo. El ATP es el acarreador molecular univer­sal. El cambio de ener­gía libre estándar para la reacción reversible ATP más agua genera ADP es de 30kJ/mol.

Las rutas metabólicas son reguladas a varios niveles, dentro de la célula y fuera. La regulación más inmediata es mediada por la disponibilidad de sustrato. Un segundo tipo regulación alostéricas por intermediario metabólico o coenzima. En los organismos multicelulares son reguladas e integradas por factores de crecimiento y hormonas fuera de la celula.

2.3.El ATP: trifosfato de adenosina.

Las células acostumbran a guar­dar la energía necesaria para sus reacciones en ciertas moléculas, la principal es el ATP, trifosfato de ade­nosina. Las células lo usan para cap­turar, transferir y almacenar energía libre necesaria para realizar el tra­bajo químico. Funciona coma una moneda energética.

La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y P.

– Estructura del ATP:

Es un nucleótido compuesto por la adenina (base nitrogenada), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato. Las cargas altamente ionizables de los grupos fosfatos hacen que se repelan unos de otros, por lo tanto resulta fácil separar uno o dos Pi del resto de la molécula.

La hidrólisis del ATP da: ATP +H₂OàADP +PiàAMP+Pi

El cambio de Energía libre. AG₀‘ = -7,3 Kcal/mol ==> muy exer­gónica

Para sintetizar ATP a partir de ADP se debe suministrar por lo menos una energía superior a 7,3 Kcal. Las reacciones que, típicamente suministran dicha energía son las reacciones de oxidación:

ADP + P + energía libre => ATP + H2O

– Síntesis de ATP:

Las células sintetizan ATP a par­tir de la energía que ellas extraen por oxidación de sustancias orgáni­cas. La sustancia or­gánica de mayor importancia por su aporte energético es la glucosa (C₆H₁₂O₆), por tanto, ella constituye una molécula combustible que apor­tará la energía para la formación de ATP, a través de un proceso cono­cido como «Respiración Celular». Se puede definir la respiración celular como: La liberación de la energía química contenida en las sustancias.

La oxidación de la glucosa en la célula puede llevarse a cabo en dos formas:

· En el citoplasma, en ausencia de oxígeno o respiración anaeróbi­ca, también llamado glucólisis. En este caso la glucosa es degrada­da formando ácido pirúvico y áci­do láctico, produciéndose una pe­queña cantidad de energía.

· En las mitocondrias, en presen­cia de oxígeno o respiración ae­róbica. Por esta vía la oxidación de la glucosa se complementa hasta llegar a formar CO₂ y H₂O, la cantidad de energía que se pro­duce es mucho mayor.

El proceso de degradación de la glucosa a ácido pirúvico se llama glu­cólisis, mientras que la descompo­sición de la glucosa a alcohol (eta­nol) se denomina «fermentación al­cohólica». En el caso de la degra­dación de la glucosa hasta ácido lác­tico, se denomina «fermentación láctica», y ocurre específicamente en el músculo.

2.4. Cofactores redox.

Otra forma de almacenar energía es transferir electrones (e-), las re­acciones se denominan de oxidoreducción o reacciones redox. La ganancia de uno o más e- por un átomo, ión o molécula = Reduc­ción. La pérdida de uno o más e- por un átomo, ión o molécula => Oxida­ción.

Hay que tener en cuenta que una molécula se oxida o se reduce no solamente cuando intercambia e-, sino también cuando intercambia áto­mos de hidrógeno, ya que involucra transferencia de elec­trones: H = H⁺ + e^–.

Por ello una oxidación siempre ocurre simultáneamente con una re­ducción. Cuando un material se oxi­da, los e- perdidos se transfieren a otro material, reduciéndolo.

Durante las principales reacciones redox del catabolismo de la glucosa intervienen dos moléculas interme­dias: NAD y FAD. Se denomina co­factores Redox: alternativamente se reducen y luego se oxidan.

– NAD: nicotinamida adenina dinu­cleótido. NAD⁺ en su forma oxi­dada y NADH⁺ + H cuando está reducido. La concentración de NAD⁺ en la célula es pequeña; por lo tanto debe reciclarse continuamente de la forma oxidada a la reducida y viceversa. NAD⁺ (oxi) + 2H⁺ + 2e^– = NADH (red) + H⁺

– FAD: flavina adenina dinucleóti­do. Transporta 2H, por lo que es FAD en su forma oxidada y FADH₂ cuando está reducido

3. LA RESPIRACIÓN CELULAR AEROBIA Y ANAEROBIA.

3.1.Glicólisis.

La glicólisis se realiza en el cito­plasma de la célula, en un medio anaerobio. Es catalizada por las ac­ciones consecutivas de un grupo de once enzimas, que no se encuen­tran ligadas entre sí formando un com­plejo multienzimático. Sin embargo, ciertas enzimas individuales espe­cíficas de la secuencia pueden ha­llarse débilmente asociadas a la mem­brana plasmática, a las miofibrillas, o a las mitocondrias en los diferen­tes tipos celulares.

La glicólisis se divide en dos eta­pas.

– Primera fase de la glicolisis: La D-glucosa se fosforila a expen­sas de ATP, siendo catalizada esta reacción por dos tipos de enzima, la hexoquinasa y glucoquinasa, las cuales difieren en su especificidad respecto al azúcar. La hexoquinasa cataliza la fosforilación de varias hexosas, se encuentra en las leva­duras, bacterias, y en muchos teji­dos vegetales y animales. La gluco­quinasa es específica de la D-glu­cosa, se encuentra en el hígado e interviene solamente en condiciones de emergencia, es decir, cuando la concentración de glucosa en sangre es muy elevada. Ambas quinasas necesitan el concurso de su catión bivalente para formar el verdadero sustrato, que es el MgATP^2-. Glucosa + MgATP^2- Glucosa-6-Fosfato + ADP + Mg²

La isomerización de la glucosa – 6- fosfato en fructosa -6- fosfato es catalizada por la enzima fosfoglu­coisomerasa, reacción que transcurre fácilmente en ambas direcciones y que se realiza en presencia de io­nes Mg. La enzima es específica para ambos fosfatos de hexosa. La reac­ción es la siguiente: D-Glucosa-6-P D-Fructosa-6-P

La fosforilación de la D-fructosa­6-P a fructosa-1,6-difosfato se reali­za al intervenir una segunda molé­cula de ATP y fosforilar la posición 1 de la fructosa, por acción de la fosfofructoquinasa, en presencia de ion Mg, ya que el verdadero sustrato es el MgATP^2-.

La fosfofructoquinasa es una en­zima alostérica, por lo que la reac­ción es irreversible. ATP + D-fructosa-6-P ADP + D-fructosa-1,6-P

La escisión de la fructosa-1,6-di­fosfato a gliceraldehído-3-P y fosfa­to de dehidroxiacetona es cataliza­da por la aldolasa, produciéndose una condensación aldólica reversi­ble. D-fructosa-1,6-difosfato Fosfato de dihidraciacetona + D-gliceraldehído-3-P

Solamente el gliceraldehído-3-fos­fato puede ser degradado en las re­acciones posteriores de la glicólisis, por tanto la dihidroxicetona se con­vierte reversiblemente en gliceralde­hído-3-P por acción de la enzima trio­sa-fosfatoisomerasa. Fosfato de dihidroxiacetona Gliceraldehido-3P

Esta reacción completa la prime­ra etapa de la glicólisis, en la que la molécula ha sufrido dos reacciones de fosforilación seguidas de escisión de la molécula.

– Segunda fase de la glicólisis.

Esta fase comprende las etapas de fosforilación y de oxidación-reduc­ción mediante las que se genera ATP. Como una molécula de glucosa for­ma dos moléculas de gliceraldehí­do-3-P, al hacer el balance de ener­gía; de una molécula de glucosa, a esta segunda etapa habrá que mul­tiplicarla por dos.

La oxidación del gliceraldehído-3­P a 1,3-difosfoglicerato es una de las reacciones más importantes de la glicólisis, ya que conserva la ener­gía de oxidación del grupo aldehído del gliceraldehído-3-P, en forma de fosfato de nivel energético alto ob­tenido como producto de la oxida­ción. Esta energía producida se con­serva en forma de ATP.

La enzima que cataliza esta reac­ción es la gliceraldehído-3-fosfato­deshidrogenasa, que tiene como coenzima de oxidación-reducción al NAD, ya que cada una de las cua­tro subunidades iguales de la enzi­ma contiene una molécula de NAD y un centro catalítico activo.

El 1,3-difosfoglicerato reacciona en­zimáticamente con el ADP, al que transfiere el grupo 1-fosfato, para for­mar el 3-fosfoglicerato, en reacción catalizada por la fosfogliceratoqui­nasa. Esta reacción sirve para des­plazar el equilibrio de la reacción anterior para que se realice por com­pleto. 1-3 difosfoglicerato + ADP 3-fosfoglicerato + ATP

La conversión del 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato es catalizada por la fosfogliceromutasa, en pre­sencia de iones Mg. Esta reacción implica la transferencia de grupos fosfato de posición 2 del ácido gli­cérico. 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato

En la deshidratación del 2-fosto­glicerato a fosfoenolpiruvato se produce por segunda vez un enlace fosfato dé energía elevada. Esta re­acción es catalizada por una enzi­ma enolasa en presencia del ion Mg, que forma un complejo con la enzima antes de unirse al sustrato.

La reacción catalizada por la eno­lasa consiste en la eliminación de una molécula de agua de los áto­mos de carbono 2 y 3 del 2-fosfogli­cerato, pero también puede consi­derarse como una oxidación-reduc­ción intramolecular, ya que la elimi­nación de agua determina que el áto­mo de carbono 2 adquiera un grado de oxidación superior, y el átomo del carbono 3 uno inferior. 2-fosfogliceratoFosfoenolpiruvato+Agua

La transferencia del grupo fosfato desde el fosfopiruvato al ADP es ca­talizada por la piruvatoquinasa que necesita iones Mg, a los cuales se une para formar el complejo antes de unirse al sustrato. Fosfoenolpiruvato+ADP Piruvato+ATP

– Ecuación general de la glicólisis.

Glucosa + 2Pi +ADP 2 Piruvato + 2ATP + 2 Agua + 2NADH + 2H⁺

El piruvato puede seguir dos ru­tas metabólicas diferentes, depen­diendo de que el medio sea anae­robio o aerobio. En el primer caso se producen las fermentaciones y en el segundo caso la respiración ce­lular

3.2.Respiración celular anaerobia o fermentaciones.

La fermentación es un proceso que se realiza en anaerobiosis, es un proceso catabólico de oxidación incompleto, siendo el producto final un compuesto orgánico. El principal material de partida de las fermentaciones es la glucosa u otro compuesto muy similar aun­que algunas bacterias anaerobias obtienen su energía mediante fermen­tación de pentosas, ácidos grasos o aminoácidos.

– Fermentación láctica.

Es la última etapa de la glicólisis, siendo el piruvato reducido a ácido láctico (lactato) a expensas de los electrones cedidos por el gliceralde­hído-3-fosfato inicialmente. Estos electrones son llevados por el NADH. La reacción la cataliza la lactato-des­hidrogenasa, regenerándose NAD+.

En condiciones anaeróbicas el ácido láctico es el producto final de la fermentación homoláctica, difun­diendo a través de la membrana plas­mática el entorno como producto de deshecho. Cuando las células mus­culares de los animales superiores que normalmente trabajan en condi­ciones aerobias, actúan en anaero­biosis durante cortos períodos debi­do a una actividad de esfuerzo mus­cular, el lactato escapa a la sangre en grandes cantidades, siendo re­convertido en glucosa en el hígado. Por otra parte la acidificación que produce esta actividad en las célu­las musculares puede dar lugar a fa­tiga así como al conocido fenómeno de «agujetas» que todos hemos ex­perimentado alguna vez.

– Fermentación alcohólica.

Es la más conocida y utilizada de todas las fermentaciones de las levaduras. Se trata de la conversión de la glucosa en etanol. Todo gira alrededor del peculiar método utili­zado por algunas levaduras para eli­minar los electrones transferidos des­de el gliceraldehido-3-fosfato hasta el NAD. Estas levaduras forman pi­ruvato por glicólisis o vía de Emb­den-Meyerhof, pero en lugar de re­ducirlo directamente a lactato, des­carboxilan primero el piruvato para formar acetaldehído siendo los elec­trones del NADH transferidos a éste para formar etanol.

Así pues la lactato deshidrogena­sa está sustituida por la piruvato-des­carboxilasa, productora de acetalde­hído y por la etanol deshidrogenasa (alcohol deshidrogenasa) que produ­ce etanol.

La primera utiliza como coenzima el pirofosfato de tiamina e iones mag­nesio. El pirofosfato de tiamina es el éster pirofosfórico de la tiamina o vitamina B₁. Este pirofosfato de tia­mina es un transportador de grupos aldehídos activos, de la misma for­ma que el ATP lo es de fosfatos ac­tivos.

En la última etapa de la fermenta­ción alcohólica el acetaldehído se reduce a etanol, desprendiéndose CO₂ siendo el potencial de reduc­ción aportado por el NADH + H+. Las etapas de conservación de la ener­gía que conducen a la formación de ATP son idénticas a las de las glu­cólisis.

3.3. Respiración celular aerobia.

Las células aerobias obtienen la mayor parte de su energía de la res­piración gracias a una transferencia de electrones desde las moléculas orgánicas combustibles hasta el oxí­geno molecular.

En la glicólisis y fermentaciones se libera una pequeña parte de la energía química de la molécula de glucosa, la máxima energía se ob­tiene al oxidar esta molécula com­pletamente a dióxido de carbono y agua, que se consigue por medio de la respiración.

La respiración celular consiste bá­sicamente, en que todas las molé­culas combustibles del catabolismo oxidativo tienen una ruta común fi­nal, que es el ciclo de Krebs, en el cual los grupos acetilos se descom­ponen en dióxido de carbono e hi­drógeno, pasando este último o sus electrones equivalentes a la cadena respiratoria, que está formada por una serie de transportadores de electro­nes, que los lleva hasta el oxígeno molecular, liberándose energía, que en su mayor parte es recogida en forma de ATP, gracias a la fosforila­ción oxidativa acoplada del ATP.

La respiración celular se realiza en las mitocondrias, encontrándose en su membrana interna y matriz las en­zimas del ciclo de Krebs y los vec­tores de electrones de la cadena res­piratoria. En la membrana interna encontramos los citocromos b, c, a y a₃, la actividad ATP-ásica asociada con el mecanismo de la fosforilacián oxidativa y las actividades succinato y NADH-deshidrogenásicas, La ma­triz mitocondrial contiene fundamen­talmente fumarasa, aconitasa y glu­tamato y malato deshidrogenasas, que también se encuentran fuera de las mitocondrias, pero actúan en otras rutas metabólicas.

– Oxidación del piruvato a acetil^–CoA.

Esta oxidación esta catalizada por el sistema de la piruvato-deshidro­genasa; esta reacción es irreversi­ble.

Este sistema de la piruvato-des­hidrogenasa está formado por tres enzimas y cinco coenzimas, que ac­túan en las fases sucesivas de la descarboxilación oxidante del piruvato. Este sistema enzimático se in­hibe por algunos derivados del ar­sénico y por el ATP.

La reacción general es: Piruvato + CoA + NAD Acetil-Coa + C0₂ + NADH + H⁺

– Ciclo de Krebs.

La acetil-CoA atraviesa la mem­brana mitocondrial para reaccionar con el oxalacetato y originar el ci­trato, esta reacción es catalizada por la citrato-sintetasa. En esta reacción el grupo metilo del acetil-CoA se con­densa con el átomo del carbono car­bonílico del oxalacetato, con la con­siguiente hidrólisis del enlace tioés­ter y formación del CoA libre.

A continuación el ácido cítrico se isomeriza a isocítrico en una reac­ción catalizada por la aconitasa. Esta enzima es activada y estabilizada por el ion ferroso y por la cisteína.

La enzima isocitrato-deshidroge­nasa dependiente del NAD cataliza el paso del ácido isocítrico al alfa-ce­toglutárica. Tanto esta enzima como la dependiente del NADP se encuen­tran en las mitocondrias de tejidos animales, pero la isocitrato-deshidro­genasa dependiente del NAD se en­cuentra exclusivamente en las mito­condrias, mientras que la dependiente del NADP se encuentra también en el citoplasma. Estas enzimas son alostéricas y necesitan el ADP como activador específico. Además el iso­citrato-deshidrogenasa NAD depen­diente necesita para su actividad iones Mg. El ATP y el NADH inhiben fuertemente a esta enzima.

La oxidación del α-cetoglutarato a succinato es catalizada por el siste­ma de la enzima a-cetoglutarato­deshidrogenasa. El producto final de esta reacción es el succinil-CoA, que experimenta la pérdida de su grupo CoA por una reacción con el GDP y fosfato en que se conserva la energía. La enzima que cataliza esta reacción es la succinil-CoA­sintetasa, que provoca la formación del enlace fosfato de elevado con­tenido energético del GTP a partir del GDP y fosfato inorgánico, a ex­pensas del enlace tioéster del suc­cinil-CoA, también de alto conteni­do energético. La enzima de los te­jidos animales es específica para el GDP como aceptor de fosfato.

A continuación, el GTP formado en esta reacción cede su grupo fos­fato terminal al ADP para formar ATP, en presencia de la nucleósido-difos­foquinasa.

El succinato es oxidado a fuma­rato por una flavoproteína, que es la succinato-deshidrogenasa, la cual se halla fuertemente unida a la membrana mitocondrial, y contiene FAD, que es un coenzima reducible que actúa como aceptor de en posición trans de los átomos de car­bono metilénicos del succinato. Esta enzima es alostérica, ya que es activa­da por el fosfato, succinato y fumarato, y resulta inhibida competitivamente por el oxalacetato.

La hidratación reversible del fuma­rato a malato es catalizada por la fumarasa, enzima formada ^–por cua­tro subunidades, que están consti­tuidas por cadenas polipeptídicas, que son inactivas si se hallan separa­das. No necesita la activación de nin­guna coenzima. El ATP hace dismi­nuir la afinidad de la fumarasa por el fumarato y provoca la inhibición de la reacción si la concentración del fumarato es menor que la satu­rante.

La última reacción del ciclo está catalizada por la malato-deshidro­genasa dependiente del NAD. Las células de los animales superiores contienen dos formas de maltosa­deshidrogenasa, una en las mitocon­drias y la otra en el citoplasma. Es una reacción de oxidación, en la cual el malato se oxida a oxalacetato y el NAD se reduce al NADH,

– Cadena respiratoria.

Es la cadena de transportadores electrónicos capaces de transferir electrones desde las moléculas del sustrato hasta el oxígeno molecular.

En esta cadena respiratoria hay una variación de energía libre, que es captada por el ADP y fosfato in­orgánico para formar ATP con enla­ces ricos en energía. Esta reacción de formación del ATP es la fosfori­lación oxidativa. Esta fosforilación oxidativa se produce en tres puntos de la cadena respiratoria, que son los siguientes: En el paso del NAD al FAD, en el lugar de transferencia del citocromo b al citocromo c, y en el paso de transferencia del citocro­mo al oxígeno. Por tanto en un trans­porte de electrones, que se inicie en el NAD se consiguen tres molécu­las de ATP, y si la cadena respira­toria se inicia en el FAD, sólo se consiguen dos moléculas de ATP.

De esta forma podemos deducir que el balance energético por una molécula de glucosa será el siguien­te:

En glucolisis se producen: 2 ATP

2 x NADH+H⁺ 6 ATP

En la descarboxilación del pirúvico 2 NADH+H⁺ 6 ATP

En el Ciclo de Krebs( dos vueltas) 6 NADH+H⁺ 18 ATP

Ciclo tricarboxílico 2 FADH₂ 4 ATP

2 GTP 2 ATP

TOTAL 38 ATP

3.4.Oxidación de los ácidos grasos

Los ácidos grasos son moléculas que suponen importantes depósitos de energía para la célula. En un primer término los triglicéridos deben ser hidrolizados en el citoplasma por la acción de las lipasas, originándose glicerol y sus correspondientes ácidos grasos. Los ácidos grasos inmediatamente son degradados en la mitocondria en la beta oxidación y el glicerol pasa a la ruta catabólica glucolítica.

Antes de ser oxidados, los ácidos grasos reaccionan con acetil coa en la membrana de la mitocondria. Una vez penetrado en la matriz mitocondrial, los ácidos grasos se degradan secuencialmente eliminando dos carbonos en cada vuelta del ciclo de la llamada hélice de Lynnen es lo que se conoce como beta oxidación de los ácidos grasos.

La beta oxidación de los acil-coa, al igual que el transporte de los ácidos grasos a la matriz mitocondrial, ocurre en cuatro reacciones:

1. Formación del doble enlace trans-αβ a través de la deshidrogenación de la flavoenzima acil-CoA deshidrogenasa.
2. Hidratación del doble enlace por la enoil-CoA hidratasa para formar 3-L-hidroxiacil CoA.
3. Deshidrogenación NAD⁺-dependiente del β-hidroxiacil-acil-CoA por la 3-L-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, para formar el β-cetoacil-CoA correspondiente.
4. Ruptura del enlace C_α – C_β en una reacción de tiolísis catalizada por la β-cetoacil-CoA tiolasa (a menudo llamada solamente tiolasa) para formar acetil-CoA y un nuevo acil-CoA con dos átomos de carbono menos que el original.

La función de la oxidación de los ácidos grasos es generar energía metabólica. Cada vuelta de la β oxidación produce un NADH, un FADH y un acetil-CoA. La oxidación del acetil-CoA vía el ciclo del ácido cítrico genera NADHs y FADHs adicionales que son reoxidados a través de la fosforilación oxidativa para formar ATP. Por lo tanto la oxidación completa de una molécula de ácido graso es un proceso altamente exergónico, produce un número elevado de ATPs. 

5. LA FOTOSÍNTESIS.

Hoy en día el concepto de foto­síntesis no se aplica solamente a la reducción del dióxido de carbono, sino que la energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor ad­quirido en el proceso, permiten la reducción y la asimilación de otros bioelementos necesarios, como ni­trógeno y azufre.

5.1. Fotosíntesis del carbono.

La fotosíntesis es uno de los pro­cesos metabólicos (proceso anabó­lico y autótrofo) de los que se valen las células para obtener energía. Es un proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de clo­rofila y otros pigmentos, captan ener­gía luminosa procedente del sol y la transforman en energía química (ATP) y en compuestos reductores (NADPH), y con ellos transforman el agua y el CO₂ en compuestos orgá­nicos reducidos (glucosa y otros), li­berando oxígeno.

La reacción global de este proce­so es la siguiente: 6C0₂ + 12H₂O + LUZ —> GLUCOSA + 6H₂0 + 60₂

La radiación luminosa llega a la tierra en forma de «pequeños paque­tes», conocidos como cuantos o fo­tones. Los seres fotosintéticos cap­tan la luz mediante diversos pigmen­tos fotosensibles, entre los que des­tacan por su abundancia las clorofi­las y carotenos. Al absorber los pig­mentos la luz, electrones de sus mo­léculas adquieren niveles energéti­cos superiores, cuando vuelven a su nivel inicial, liberan la energía la cual sirve para activar una reacción quí­mica, una molécula de pigmento se oxida al perder un electrón que es recogido por otra sustancia, que se reduce. Así la clorofila puede trans­formar la energía luminosa en ener­gía química. En la fotosíntesis se diferencian dos etapas, con dos tipos de reac­ciones:

– Fase luminosa: en el tilacoide, en ella se producen transferencias de electrones.

– Fase oscura: en el estroma, en ella se realiza la fijación de car­bono.

Fase luminosa:

La fase luminosa o fotofosforila­ción recibe este nombre porque es la que necesita la presencia de la luz para llevarse a cabo. Tiene lu­gar en las membranas de los tilacoi­des de los cloroplastos, donde se localizan los fotosistemas que con­tienen la clorofila y otros pigmentos.

Los hechos que ocurren en la fase luminosa de la fotosíntesis se pue­den resumir en estos puntos:

– Síntesis de ATP o fotofosforilación que puede ser: acíclica abierta 1 cíclica o cerrada.

– Síntesis de poder reductor NA­DPH.

– Fotolisis del agua.

Los pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos respon­sables de la fase luminosa de la fo­tosíntesis reciben el nombre de pig­mentos fotosintetizadores y son: la clorofila que es el más importante, carotenoides y las ficobiliproteinas (ficocianina, ficoeritrina) de algunas algas. Entre los tipos de clorofilas y los pigmentos complementarios se logra un conjunto capaz de absor­ber a casi todas las longitudes de onda del espectro visible de la luz.

Estos pigmentos se encuentran organizados en fotosistemas (conjun­tos funcionales formados por más de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada en ellos por pigmentos que hacen de antena, es llevada hasta la molécula de «clorofila diana» que es la molécula que se oxida al libe­rar un electrón, el cual pasa por una serie de transportadores, en cuyo re­corrido se liberará la energía.

Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema I (FSI), está asociado a moléculas de clorofila que absor­ben a longitudes de ondas largas (700 nm) y se conoce como P700. El fotosistema II (FSII), está asocia­do a moléculas de clorofila que ab­sorben a 680 nm por eso se deno­mina P680.

Al incidir dos fotones sobre el FSI se liberan dos electrones que son capturados por la enzima ferredoxi­na que los incorpora a dos protones H+ procedentes de le fotolisis del agua para formar H. que es recogido por un NADP que pasa así a NADPH₂.

El FSII recibe también el impacto luminoso de dos fotones y en con­secuencia libera dos electrones, que son transportados por la cadena de oxidoreductasas formada por plastoquinona-citocromo b₃-citocromo f-­plastocianina y son incorporados a la molécula del centro de reacción del FSI con lo cual éste queda com­pensado de su pérdida electrónica.

En el descenso por esta cadena, con oxidación y reducción en cada paso, el electrón va liberando la ener­gía que tenía en exceso; energía que se utiliza para bombear protones de hidrógeno desde el estroma hasta el interior de los tilacoides, a través de las partículas F, factores de aco­plamiento, generando un gradiente electroquímico de protones. Estos protones vuelven al estroma a tra­vés de la ATP-asa y se originan mo­léculas de ATP. El fotosistema II se reduce al recibir electrones proce­dentes de una molécula de H₂O, que también por acción de la luz, se des­compone en hidrógeno y oxígeno, gracias a un enzima fotooxidante (fac­tor Y) que contiene Mn en el proce­so llamado fotólisis del H₂ Q. De este modo se puede mantener un flujo continuo de electrones desde el agua hacia el fotosistema II y de éste al fotosistema I.

En resumen, al terminar la fase lu­minosa de la fotosíntesis se han ob­tenido dos compuestos químicos el NADPH₂ de gran poder reductor, por el H₂ que puede ceder y el ATP rico en energía, ambos desempeñan un papel de primer orden en la siguiente fase (fase oscura) junto con el CO₂ que aun no ha intervenido.

Los dos fotosistemas pueden ac­tuar conjuntamente (proceso cono­cido como esquema en Z), para pro­ducir la fotofosforilación (obtención de ATP) o hacerlo solamente el fo­tosistema I, se diferencia entonces entre fosforilización no cíclica o ací­clica cuando actúan los dos, y foto­fosforilización cíclica cuando actúa el fotosistema I única­mente. En la fotofosforilización ací­clica se obtiene ATP y se reduce el NADP + a NADPH₂, mientras que en la fotofosforilización cíclica úni­camente se obtiene ATP, en este caso los electrones liberados por este fotosistema al ser excitados por la luz, son recogidos por la ferredoxi­na que los transfiere al citocromo b₆, el cual a su vez los puede ceder a la plastoquinona o citocromos b₃ y f, revirtiendo a la clorofila del fotosis­tema I transportados por la plasto­cianina. La fosforilización del ADP para formar ATP tiene lugar por la energía liberada al pasar los elec­trones de la plastoquinona al cito­cromo f. En este caso no se forma NADPH₂, ni ningún otro cuerpo re­ductor y, por tanto, el proceso no va seguido de fase oscura, es decir, de fijación de CO₂ para formar compues­tos orgánicos. Este tipo de fotosín­tesis, presente en algunas bacterias, es un claro ejemplo de que lo tras­cendental en la fotosíntesis es la transformación de energía luminosa en energía química en forma de ATP siendo la fase oscura un añadido para lograr almacenar la energía en for­ma de principios inmediatos, fenó­meno necesario cuando la comple­jidad de los organismos requieren unas reservas energéticas tan altas que no puede conseguirse solamente en forma de ATP.

Fase oscura de la fotosíntesis:

Se trata de una fase puramente bioquímica que no requiere ya la pre­sencia de la luz, ni siquiera de la clorofila, por eso hoy en día se sabe que esta fase son capaces de reali­zarla todas las células, lo mismo las incoloras que las verdes, y estas úl­timas tanto en la luz como en la os­curidad.

En esta fase, se va a utilizar la energía obtenida en la fase lumino­sa, en reducir CO₂, nitratos y sulfa­tos y asimilar los bioelementos C, H y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.

Las plantas obtienen el CO₂ del aire a través de los estomas de sus hojas. El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin, en honor de su des­cubridor M. Calvin.

La fijación del CO₂ se produce en tres fases:

– Fase de carboxilación:

El CO₂ atmosférico es incorpora­do a un monosacárido fosforado de 5 carbonos, la ribulosa 1,5 difosfa­to, formándose un compuesto ines­table de 6 carbonos, que se divide en dos moléculas de ácido 3 fosfo­glicérico conocido también con las siglas de PGA, la reacción es cata­lizada por una enzima denominada ribulosa 1-5 difosfato carboxilasa­oxigenasa conocida como Rubisco, que puede actuar como carboxilasa o como oxidasa, según la concentración de CO₂ . Si la concentración de CO₂ es baja, funciona como oxi­dasa, y en lugar de ayudar a la fija­ción de CO₂ mediante el ciclo de Calvin, se produce la oxidación de glúcidos hasta CO₂ y H₂O, y al pro­ceso se le conoce como fotorrespi­ración. La fotorrespiración no debe confundirse con la respiración mito­condrial, la energía se pierde y no se produce ni ATP ni NADPH; y se disminuye el rendimiento de la foto­síntesis, porque sólo se produce una molécula de PGA que pasará al ci­clo de Calvin; en cambio cuando fun­ciona como carboxilasa, se obtienen dos moléculas de PGA.

– Fase de reducción:

El ácido 3 fosfoglicérico se redu­ce a gliceraldehido 3 fosfato, tam­bién conocido como PGAL , utilizán­dose ATP y NADPH₂.

– Fase de recuperación:

Las moléculas de gliceraldehido 3 fosfato formadas siguen diversas rutas; de cada seis moléculas, cin­co se utilizan para regenerar la ri­bulosa 1,5 difosfato y hacer que el ciclo de Calvin pueda seguir, y una será empleada para poder sintetizar moléculas de glucosa (vía de las hexosas), ácidos grasos, aminoáci­dos, etc.; y en general todas las mo­léculas que necesita la célula

Si el ciclo de Calvin no presenta­se ninguna derivación, no tendría fi­nalidad práctica, pues se volvería al mismo punto de partida, pero existe en dicho ciclo un punto importantí­simo que es la formación del 3 fos­fogliceraldehido pues aunque parte de ácido se utilice para regenerar la ribulosa 1,5 difosfato, a partir de él se pueden formar monosacáridos, ácidos grasos, glicerina, aminoáci­dos (estos en combinación con la fotosíntesis del nitrógeno), etc., es decir, compuestos orgánicos senci­llos que son la base para la forma­ción de los principios inmediatos.

5.2. Fotosíntesis del nitrógeno.

Los vegetales son incapaces de tomar nitrógeno atmosférico N₂ para incorporarlo y transformarlo en ma­teria orgánica, el nitrógeno ingresa en las plantas por las raíces en for­ma de nitratos (NO3). Este nitróge­no se transforma en nitrógeno orgá­nico y posteriormente es incorpora­do a los aminoácidos pero para ello ha de sufrir una transformación pre­via que consiste en la reducción de los nitratos en amoniaco (NH₃). Este proceso es ya un proceso de reduc­ción de naturaleza fotoquímica y se desarrolla de forma similar a la foto­síntesis del carbono. Su reacción glo­bal puede expresarse; HNO₃+ H₂0 NH₃ + 3H₂O + 2 O₂

Al igual que ocurre con la fotosín­tesis del carbono también es posi­ble diferenciar una fase luminosa y otra oscura

– Fase luminosa: es semejante a la del carbono.

– Fase oscura: el NADPH₂ obtenido en la fase luminosa produce en esta fase la reducción del NO3. Esta re­ducción comprende dos etapas:

o Transformación de los nitratos en nitritos (NO₃^– en NO₂^–) por la acción de una enzima llamada ni­trato-reductasa que contiene mo­libdeno en su molécula y que lo­gra esta reducción porque actúa como transportadora sobre el HNO₃ de los dos H recogidos por un NADP H₂, que con un oxígeno del NO₃^– forma una molécula de H₂0 y HNO₂,

o b) Transformación de los nitritos en amoniaco (NO₂ en NH₃) por la ac­ción de una enzima llamada nitri­to-reductasa que contiene hierro en su molécula y que logra esta reducción porque actúa como transportadora sobre el HNO₂ de 6H procedentes de tres NADP H₂, que con dos oxígenos del NO₂‘ forma dos de H₂O y NH₃.

o c) El amoniaco formado que es tóxi­co debe ahora formar rápidamen­te aminoácidos, para ello se com­bina con el ácido glutámico, for­mando glutamina, reacción catalizada por una glutaminsintetasa. La glutamina constituye la vía prin­cipal de introducción de grupos ami­na en la síntesis de nuevos ami­noácidos, por la transferencia de al­guno de los dos grupos NH₂ que posee, a otros cuerpos ácidos, me­diante la intervención de las tran­saminasas.

5.3. Factores que influyen en la fotosintesis.

– La Luz: La actividad fotosintética aumen­ta a medida que se incrementa la iluminación, pero cuando se alcan­za un determinado nivel de intensi­dad, que difiere en cada planta, co­mienza a decrecer por la destrucción de las enzimas, se dice que una plan­ta está lumínicamente saturada cuan­do alcanza su máxima actividad fo­tosintetizadora.

– Dióxido de carbono (CO₂) Si existe la suficiente iluminación la actividad fotosintética aumenta de una forma directamente proporcional a la cantidad de CO₂ disponible hasta que se alcanza un límite en el cual el proceso se estabiliza.

– Temperatura: La temperatura afecta a la fotosín­tesis dependiendo de que el factor limitante sea la luz o el CO₂. Cuan­do el factor limitante es la luz (in­tensidades luminosas débiles y al­tas concentraciones de CO ₂₎ un au­mento en la temperatura apenas in­fluye en el rendimiento de la foto­síntesis. Por el contrario si el factor limitante es el CO, (fuerte ilumina­ción y baja concentración de CO₂) la fotosíntesis se incrementa a me­dida que lo hace la temperatura. Pero si se superan los 55-60⁹C, las enzi­mas se desnaturalizan y la fotosín­tesis cesa.

6. LA QUIMIOSINTESIS.

En el proceso de quimiosíntesis, la energía necesaria para llevar a cabo el anabolismo autótrofo proce­de de reacciones químicas exotér­micas.

6.1. Quimiosíntesis del carbono.

Las principales bacterias que pue­den realizarla son las bacterias ni­trificantes, las sulfobacterias incolo­ras y las ferrobacterias.

– Nitrosificación: Ni­trosomonas y Nitrosococus 2NH₃ +30₂ => 2HN0₂ +2H₂0 + 72.600 cal.

– Nitrificación: Nitrobacter. 2HN0₂ + 0₂ ==> 2 HN0₃ + 18.000 cal.

El ácido nítrico que se obtiene, re­acciona con las sales minerales y origina nitratos. En las Sulfobacterias incoloras SH₂ + 20₂ —:> H₂SO₄ + 115.000 cal.

Las ferrobacterias 4FeCO₃ + 6H₂O + O₂ à4Fe(OH)₃ + 4CO₂

6.2.Quimiosíntesis del nitrógeno.

Clostridium pasterturianum y Azotobacter chroococoum, que se encuentran en el suelo y diferentes especies del género Rhizobium, que aunque también viven en el suelo pueden penetrar en las raíces de las leguminosas desarrollándose en sim­biosis con ellas.

En el caso de Clostridium y Azo­tobacter, los glúcidos que utilizan pro­ceden de restos orgánicos del sue­lo, mientras que en el caso de Rhi­zobium son utilizados los glúcidos de las células de las raíces de las leguminosas.

N2àNH3 para incluirlo en aminoácidos. En las bacterias fijadoras de nitrógeno existe una enzima: ni­trogenasa. Los electrones desprendidos son recogidos por Fe perteneciente a un componente d ela enzima. El amoniaco producido prosigue su camino formando el ami­noácido glutamina enzima glu­tamin-sintetasa. A partir de la gluta­mina se sintetizan el resto de ami­noácidos por transferencia del gru­po amino.

La enzima nitrogenasa no tiene una actividad continuada, actúa so­lamente cuando las bacterias fijado­ras no pueden disponer de N₂ por otro mecanismo. Enzima que es regulada por las concentraciones de amoniaco. Para que actue se requiere ATP

7. BIBLIOGRAFÍA

– ALBERTS, B.; BRAY, D.; KEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. Y WAT­SON, J.D.: Biología molecular de la célula. Ed. Omega. Barcelona, 1996.

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– LEHNINGER, A.L.: Principios de bio­química. Ed. Omega. Barcelona, 1995.

– STRYER, L… Bioquímica 2(vol). Ed. Reverté. Barcelona, 1995.