Procesos anabólicos y catabólicos

 Sin duda, las células son los laboratorios más sofisticados que existen. En un espacio increíblemente reducido tienen lugar multitud de reacciones químicas, todas ellas perfectamente coordinadas y reguladas. Muchas de esas reacciones son además mutuamente incompatibles, es decir, si trituramos la célula y se mezclan sus componentes el resultado es un caos metabólico. Para que las diferentes rutas metabólicas operen en armonía, es imprescindible un control riguroso mediante diferentes enzimas específicas, y que las distintas rutas ocurran, en muchos casos, en compartimentos celulares separados (orgánulos celulares).

Todos los procesos metabólicos se pueden clasificar en dos tipos: procesos anabólicos, o de síntesis, y procesos catabólicos, o de degradación.

Se puede decir que el anabolismo se inicia con la síntesis de los primeros compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas, mediante la fotosíntesis o la quimiosíntesis. Esos primeros pasos anabólicos sólo los pueden realizar los organismos autótrofos. Luego, a partir de moléculas orgánicas simples, se formarán, mediante diferentes rutas anabólicas, todos los componentes orgánicos de los seres vivos.

El catabolismo se puede iniciar con la descomposición de muy diferentes sustancias orgánicas, pero, al final, la mayoría de las rutas catabólicas confluyen en la respiración celular, a través de la cual los compuestos orgánicos se terminan por degradar en sustancias inorgánicas.

Naturalmente, muchas de las reacciones químicas, tanto anabólicas como catabólicas, implican transformaciones energéticas, y los procesos que liberan energía (en general los catabólicos) se acoplan a los que la consumen (en general los anabólicos)

2. La fotosíntesis

2.1. Modalidades y fases de la fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las sustancias inorgánicas simples (CO₂ , H₂O y, por extensión, nitratos y sulfatos) se combinan para formar compuestos orgánicos simples, utilizando para ello la energía de la luz.

Se pueden diferenciar dos modalidades de fotosíntesis:

- Fotosíntesis oxigénica. Se denomina así porque en ella se desprende O₂ (a partir del H₂O ). Es la que realizan las plantas, las algas y las cianobacterias.

- Fotosíntesis anoxigénica. Llamada así porque en ella no se libera O₂, ya que el agua no interviene como dadora de electrones. Existen diferentes modalidades y la realizan algunas bacterias sulfúreas y no sulfúreas.

En adelante nos centraremos únicamente en el estudio de la fotosíntesis oxigénica.

El conjunto de procesos que tienen lugar en la fotosíntesis vegetal se puede resumir en la siguiente ecuación:

energía luminosa
6 CO₂ + 6 H₂O ----------------------> C₆H₁₂O₆ + 6 CO₂
clorofila

Pero el agua no puede reaccionar directamente con el CO₂, luego entre el sustrato inicial y los productos finales de esa reacción deben ocurrir complejos procesos metabólicos. Esos procesos se dividen en dos fases:

- Fase luminosa. Ocurre en la membrana tilacoidal de los cloroplastos. En ella la energía de la luz impulsa la formación de poder energético, en forma de ATP, y poder reductor, en forma de NADPH.

- Fase oscura. Ocurre en el estroma de los cloroplastos. En ella la energía del ATP y el NADPH, obtenidos anteriormente, impulsan la reacciones para la formación de compuestos orgánicos simples a partir de sustancias inorgánicas.

 2.2. Obtención de energía: fase luminosa

¿Cómo es captada la energía luminosa?

La energía de la luz es captada por los pigmentos fotosintéticos situados en la membrana tilacoidal de los cloroplastos.

Al incidir un fotón sobre un pigmento fotosintético, desplaza un electrón hacia un nivel de mayor energía. El pigmento excitado puede volver a su estado original de tres formas:

- Perdiendo la energía extra en forma de luz y calor (fluorescencia).

- Mediante una transferencia de energía por resonancia, en la que la energía (pero no el electrón) pasa de un pigmento a otro.

- Mediante una oxidación del pigmento, al perder el electrón de alta energía, que será captado por un transportador de electrones.

El pigmento fotosintético más importante es la clorofila, que absorbe el color violeta, azul y rojo, y refleja el verde. Además existen otros pigmentos accesorios, como los carotenoides, que reflejan el rojo, anaranjado o amarillo.

Todos los pigmentos fotosintéticos se agrupan en fotosistemas que, hipotéticamente, podemos imaginar con forma de embudo. Pueden ser de dos tipos: fotosistema I (con un máximo de absorción de 700 nm) y fotosistema II (con un máximo de absorción de 680 nm).

Figura 3: Esquema de un fotosistema con su complejo antena
y centro de reacción fotoquímico

2.2. Obtención de energía: fase luminosa

¿Cómo fluyen los electrones de un transportador a otro?

Los electrones que salen del centro de reacción fotoquímico pueden seguir dos recorridos: flujo no cíclico y flujo cíclico de electrones.

- Flujo no cíclico de electrones

En él intervienen los dos fotosistemas, y se denomina así porque los electrones que salen de las moléculas de clorofila ya no regresarán a esas mismas moléculas. Aunque la secuencia de acontecimientos puede ser diferente, simplificando, consideraremos que se inicia con la fotólisis de agua: un proceso básico en el que una molécula de agua se escinde en 2e-, 2H+ y ½ O2. Los electrones pasan la fotosistema II, que previamente habrá perdido otros dos electrones por la acción de dos fotones de luz. Los dos electrones del fotosistema II alcanzan un nivel energético alto, y luego fluyen, a través de varios transportadores, hacia el fotosistema I, que previamente habrá perdido otros dos electrones por la incidencia de dos fotones. Los electrones "energéticos" del fotosistema I son captados por el aceptor de electrones ferredoxina, y luego el NADP+, que se convierte en NADPH + H+ (poder reductor).

Al mismo tiempo que ocurren estos procesos, el flujo de electrones hacia niveles energéticos más bajos, impulsa el acúmulo de protones en el espacio tilacoidal, generando un gradiente electroquímico o fuerza protón-motriz. Luego, los protones salen del espacio tilacoidal "cuesta abajo", a través de las ATP sintasas, y hacen posible la fotofosforilación, con la consiguiente formación de ATP (poder energético) a partir de ADP y Pi.

Como subproducto de todo este proceso queda libre un átomo de oxígeno.

.2. Obtención de energía: fase luminosa

- Flujo cíclico de electrones

En él interviene únicamente el fotosistema I y se denomina así porque los electrones que salen de la clorofila del fotosistema regresan de nuevo a las mismas moléculas.

La única finalidad de este flujo es formar un poco más de ATP, necesario, como veremos, para compensar el déficit que se produciría en caso contrario, durante la fase oscura.

Los electrones salen cargados de energía del fotosistema, pasan por varios transportadores de electrones, e impulsan indirectamente la fotofosforilación, con la consiguiente formación de ATP.

Figura 5: Esquema del flujo cíclico de electrones

2.3. Síntesis de materia orgánica: fase oscura

Gracias a la energía obtenida en forma de poder reductor (NADPH) y poder energético (ATP) en la fase luminosa, ahora será posible la fijación del carbono inorgánico (CO₂) en carbono orgánico (glúcidos simples). Además, por otras vías metabólicas, también se podrán fijar, en forma de compuestos orgánicos, los nitratos (NO₃^-) y sulfatos (SO₄^2-) inorgánicos.

La fijación del carbono tiene lugar a través del ciclo de Calvin o ciclo C3, ya que la mayoría de los metabolitos intermediarios tienen tres carbonos. Básicamente, en este ciclo se pueden diferenciar tres etapas:

- Carboxilación. La enzima rubisco cataliza la combinación de la ribulosa difosfato con el CO₂, formándose un compuesto intermedio e inestable (de 6 átomos de carbono), que se descompone en dos moléculas de fosfoglicerato (con 3 átomos).

- Reducción. Mediante la energía que suministra el ATP y el poder reductor del NADPH, el fosfoglicerato se transforma en gliceraldehído 3-fosfato.

- Recuperación. De cada 6 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, 5 se transforman en 3 moléculas de ribulosa difosfato (con consumo de ATP) y la otra se considera el rendimiento neto del ciclo.

En definitiva, por cada tres vueltas del ciclo de Calvin, 3 moléculas de CO₂ se combinan al hidrógeno de 6 NADPH, impulsadas por la energía de 9 ATP, obteniéndose como primer compuesto orgánico una molécula de gliceraldehído 3-fosfato.

Figura 6: Esquema del ciclo de Calvin. Por cada tres vueltas se forma como rendimiento neto una molécula de gliceraldehído 3-fosfato.

2.4. Los productos de la fotosíntesis

La primera molécula orgánica que se forma en la fotosíntesis, a partir del ciclo de Calvin, es el gliceraldehído 3-fosfato. Luego, esta molécula será la precursora de diferentes tipos de moléculas orgánicas, algunas de las cuales únicamente tendrán C, H y O, mientras que otras tendrán además N o S orgánico.

- Para la síntesis de compuestos orgánicos con carbono basta con el gliceraldehído.

Lo más común es que dos moléculas de gliceraldehído se unan formando un molécula de glucosa, que se suele considerar como el producto final de la fotosíntesis.

Figura 7: Rendimiento neto del proceso de fotosíntesis para obtener
una molécula de glucosa

- Para la síntesis de compuestos orgánicos con nitrógeno, además del gliceraldehído será necesario reducir los nitratos (NO3^-), para incorporarlos a la materia orgánica.

En este proceso se diferencian tres etapas: a) reducción de nitratos a nitritos, b) reducción de nitritos a amoníaco, y c) incorporación del amoníaco al aminoácido glutamina. En las plantas este proceso ocurre fundamentalmente en los cloroplastos y requiere energía que es aportada por el ATP y el NADPH, obtenidos a partir de la fase luminosa de la fotosíntesis.

Figura 8: Para sintetizar compuestos orgánicos con nitrógeno, las plantas
deben reducir los nitratos inorgánicos

2.5. Factores que influyen en la actividad de la fotosíntesis

El rendimiento de la actividad fotosintética es influenciado por varios factores.
Los más importantes son:

- Intensidad luminosa. En general, a mayor intensidad luminosa, mayor actividad fotosintética. Pero, cada especie está adaptada a unos niveles de iluminación óptima, de intensidad variable. Si se superan esos niveles, se llega a la saturación lumínica e, incluso, podrían deteriorarse los pigmentos fotosintéticos. Por otro lado, también influye el color de la luz: el mejor es el que absorbe (y no refleja) la clorofila.

- Temperatura. Como norma general, a mayor temperatura, mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un máximo, superado el cual se pueden desnaturalizar algunas enzimas. La temperatura óptima variará de unas especies a otras.

- Concentración de CO₂. A mayor concentración de CO₂ mayor actividad fotosintética, hasta que se llega a un punto en el que se estabiliza.

- Concentración de O₂. Al aumentar la concentración de O₂ baja el rendimiento de la fotosíntesis debido a la fotorrespiración.

Figura 9: Influencia de diversos factores sobre la actividad fotosintética

3. Los procesos catabólicos

3.1. Esquema general del catabolismo

En el curso de los procesos catabólicos las moléculas orgánicas se van degradando, paso a paso, hasta formar otras moléculas más simples y, finalmente, sustancias inorgánicas. Globalmente son procesos de oxidación en los que las moléculas orgánicas van perdiendo electrones que, tras pasar por una cadena transportadora, serán captados por una molécula aceptora de electrones final. En esos procesos la energía liberada permite la formación de moléculas de ATP. Según quien sea el aceptor final de electrones se pueden diferenciar dos modalidades:

- Fermentación. El aceptor final de electrones es un compuesto orgánico, por lo que se trata de una oxidación incompleta y un proceso anaerobio.

- Respiración celular. El aceptor final de electrones es una sustancia inorgánica. Si es el O₂, se trata de una respiración aerobia que realizan la mayoría de los organismos; si es otro compuesto inorgánico (NO₃^-, SO₄^2-, CO₂), se trata de una respiración anaerobia, exclusiva de ciertos microorganismos.

Los procesos catabólicos se pueden iniciar a partir de varios sustratos orgánicos, especialmente glúcidos, lípidos y proteínas. En cualquier caso, al final, las diferentes rutas metabólicas de la respiración celular confluyen en el ciclo de Krebs, y los electrones liberados en el proceso pasan a la cadena respiratoria para formar ATP por fosforilación oxidativa. Una variante a este esquema general es el desvío o la ruta alternativa de las fermentaciones.

Figura 10: Esquema simplificado del catabolismo. Al tiempo que los compuestos orgánicos se descomponen en CO₂ y H₂O, los electrones son transferidos a lo largo de la cadena respiratoria impulsando la fosforilación oxidativa

3.2. El ciclo de Krebs

Casi todos los compuestos orgánicos (azúcares y grasas especialmente) se descomponen hasta formar acetil-CoA: un grupo acetilo de dos carbonos, unidos a la coenzima A.

El acetil-CoA ingresa ahora en una secuencia cíclica de reacciones químicas que se conocen con el nombre de ciclo de Krebs o ciclo del ácido cítrico. Este ciclo tiene lugar en la matriz mitocondrial y consiste en una secuencia de ocho reacciones consecutivas. En el conjunto de esas reacciones tienen lugar, básicamente, los siguientes acontecimientos:

- Se liberan 2 moléculas de CO₂, que se puede considerar que proceden del grupo acetilo del acetil-CoA, con lo cual se consigue una oxidación completa la materia orgánica. El CO₂ será, por tanto, el producto residual último de la respiración aerobia.

- Los electrones más los protones (hidrógeno), que pierde el grupo acetilo al oxidarse, van a parar, en cuatro fases, a transportadores de electrones, formándose 3 moléculas de NADH + H⁺ y una molécula de FADH₂. El poder reductor de estas moléculas será transferido luego a través de la cadena respiratoria mitocondrial.

- En un paso del ciclo tiene lugar una fosforilación a nivel de sustrato que origina una molécula de GTP (equivalente desde el punto de vista energético a un ATP)

Figura 11: Esquema simplificado del ciclo de Krebs

3.3. La cadena respiratoria

Los transportadores de electrones NADH y FADH₂, originados fundamentalmente en el ciclo de Krebs, pero también en otros procesos catabólicos, albergan el poder reductor que les confieren los electrones "energéticos" que transportan.

Esa energía será liberada, poco a poco, a lo largo de la cadena respiratoria que tiene lugar en las crestas y en la membrana mitocondrial interna. En dicha membrana existen tres complejos enzimáticos transportadores de electrones:

- El complejo NADH deshidrogenasa
- El complejo citocromo b-c₁
- El complejo citocromo oxidasa.

Tanto el NADH como el FADH₂ ceden los electrones "energéticos" a la cadena formada por esos tres transportadores y, a medida que pasan de un transportador a otro, los electrones van liberando energía. Esa energía (según la teoría quimiosmótica de Mitchell) permite el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso de la mitocondria. De este modo se genera un gradiente electroquímico de protones, con una concentración de protones mayor en el espacio intermembrana que en la matriz.

La fuerza protón-motriz generada, impulsa los protones a través de las ATP sintasas presentes en la membrana mitocondrial interna, permitiendo la unión del ADP a un grupo fosfato, con la consiguiente formación de ATP. El conjunto de estos procesos, que culminan con la formación de ATP, constituyen la fosforilación oxidativa.

Con fines prácticos, aunque no es del todo exacto, se considera que una molécula de NADH permite la formación de 3 moléculas de ATP, mientras que una de FADH₂ sólo aportará 2 ATP

Tanto los electrones como los protones, que han sido impulsados a lo largo de la cadena respiratoria, deben unirse a un aceptor final. En la respiración aerobia el aceptor último de electrones (y protones) es el O₂, que al unirse al H₂, forma H₂O como producto final.

Figura 12: Transferencia de electrones y fosforilación oxidativa
en la cadena respiratoria mitocondrial

3.4. El catabolismo de los glúcidos

Los glúcidos se consideran nutrientes energéticos (1 g de glúcidos aporta como promedio 4 kcal). En su catabolismo, primero los polisacáridos se descomponen hasta formar finalmente glucosa. Concretamente, en los animales, el glucógeno acumulado en las células hepáticas o en las fibras musculares se va hidrolizando por un proceso de glucogenolisis.

La glucosa entra a continuación en una secuencia de reacciones en las que se diferencian:

Glucólisis. Consiste en 10 reacciones consecutivas, que tienen lugar en el citosol, en las que se diferencian dos fases:

a. Fase preparatoria. Se consumen 2 moléculas de ATP para transformar una de glucosa en 2 de gliceraldehído 3-fosfato.

b. Fase de beneficio. Se obtienen 4 moléculas de NADH y 4 moléculas de ATP, formándose al final de la glucólisis 2 de piruvato.

En el conjunto de la glucólisis, a partir de cada molécula de glucosa, se obtienen, por tanto, como rendimiento neto 2 ATP (por fosforilación a nivel de sustrato), y 2 NADH que luego podrán pasar a la cadena respiratoria.

Figura 13: Esquema simplificado de la glucólisis

El piruvato que se obtiene al final de la glucólisis se encuentra en una encrucijada metabólica en la que puede seguir dos destinos, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno y el tipo de célula. Puede seguir la vía anaerobia de las fermentaciones o la vía aerobia de la respiración celular.

- Por la vía aerobia de la respiración celular el piruvato pasa al interior de la mitocondria, donde, mediante una reacción irreversible, se une a una coenzima y sufre una descarboxilación (pérdida de CO₂) y una oxidación, formándose: CO₂, NADH y acetil-CoA.

Figura 14: Transformación del piruvato en acetil-CoA

- El NADH liberará su poder reductor en la cadena respiratoria, mientras que el acetil-CoA ingresará en el ciclo de Krebs.

Figura 15: Balance energético global de la respiración aerobia de
una molécula de glucosa

3.5. La vía anaerobia de las fermentaciones

El piruvato formado en la glucólisis no siempre sigue la vía de la respiración celular; en determinadas circunstancias puede pasar a la vía alternativa de las fermentaciones.

Las fermentaciones genuinas son procesos anaerobios, realizados por microorganismos que no toleran el oxígeno o por ciertas células animales o vegetales cuando no disponen de suficiente oxígeno. Son poco rentables desde el punto de vista energético, ya que la oxidación de la materia orgánica es incompleta y se forma mucho menos ATP que en la respiración celular aerobia. En general, únicamente 2 ATP por cada molécula de glucosa.

Dependiendo el producto final, se diferencian varios tipos de fermentaciones. Las más importantes son:

- Fermentación alcohólica. En ella el piruvato se transforma en etanol y se desprende CO₂. La realizan, sobre todo, levaduras del género Saccharomyces que tienen interés en la industria alimenticia por los productos residuales de su metabolismo: el CO₂ para esponjar la masa en la fabricación del pan; y el etanol para producir diferentes bebidas alcohólicas (vino, sidra, cerveza...).

- Fermentación láctica. En ella el piruvato se transforma en lactato. La realizan diversas bacterias (Lactobacillus...) que fermentan la leche, y se utilizan para obtener derivados lácteos. Por otro lado, también la pueden llevar a cabo las células musculares cuando no reciben suficiente oxígeno. Así, cuando se realiza un esfuerzo intenso y prolongado, los músculos obtienen un poco de energía extra sin necesidad de oxígeno, recurriendo a la fermentación; pero las consecuencias de este proceso serán, posteriormente, las agujetas.

Figura 16-a: Fermentación alcohólica

Figura 16-b: Esquema de la fermentación láctica

3.6. El catabolismo de los lípidos

Los lípidos, y más concretamente las grasas o acilglicéridos, aportan aún más energía que los glúcidos (1 g de grasas aportan 9 kcal).

En primer lugar, los acilglicéridos se descomponen en glicerol y en ácidos grasos.

El glicerol puede seguir varios destinos metabólicos, pero en el catabólico se transforma en dihidroxiacetona-fosfato y se incorpora a la glucólisis, siguiendo las rutas posteriores ya conocidas. Al final, la respiración aerobia de una molécula de glicerol puede proporcionar hasta 22 ATP.

Los ácidos grasos pasan al interior de las mitocondrias y, en la matriz mitocondrial, tiene lugar la ß-oxidación de los ác. grasos. En este proceso cada ác. graso se va oxidando, liberándo, paso a paso, "fragmentos" de dos carbonos hasta que termina por consumirse. En cada paso se forman una molécula de FADH₂, una de NADH y un acetil-CoA.

Figura 17: Esquema de la ß-oxidación de los ácidos grasos

Los transportadores de electrones FADH₂ y NADH liberan la energía que portan a lo largo de la cadena respiratoria mitocondrial, mientras que el acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs.

Al final, cada molécula de ácido graso puede aportar un gran número de moléculas de ATP, más o menos dependiendo de su tamaño molecular y de que sea saturado o no (por ejemplo, un ác. esteárico puede suministrar hasta 146 moléculas de ATP).

3.7. El catabolismo de las proteínas

Las proteínas, al igual que los azúcares y las grasas, también se pueden descomponer para suministrar energía, pero no es ésta su principal función en el organismo.

Los aminoácidos resultantes de la descomposición de las proteínas se pueden degradar en dos fases: primero se eliminan los grupos amino y, posteriormente, se oxida el "esqueleto carbonado" que quede.

Para eliminar los grupos amino son necesarios un proceso de transaminación seguido de una desaminación, formándose al final NH₃. El amoníaco es una sustancia tóxica que muchos animales, como los mamíferos, lo empaquetan en forma de urea para su eliminación posterior a través de la orina.

El problema de los residuos nitrogenados, unido la valor de los aminoácidos como "sillares estructurales" para los procesos de síntesis o anabólicos, hace que las células sólo "quemen" las proteínas cuando se ingieren en exceso o cuando, por el contrario, se agotan las reservas de azúcares y lípidos, en situaciones de inanición.

4. Esquema general del metabolismo

En el conjunto del metabolismo destacan dos procesos antagónicos en sus productos iniciales y finales: la fotosíntesis y la respiración celular. En ambos procesos ocurren intercambios energéticos y tienen lugar fosforilaciones. También en ambos ocurren sendos ciclos de reacciones químicas trascendentales: en la fotosíntesis, el ciclo de Calvin, en el que se forma la primera materia orgánica; y en la respiración celular, el ciclo de Krebs, en el que se descompone finalmente la materia orgánica. Enlazando esos ciclos se encuentran tres intermediarios metabólicos básicos: gliceraldehído 3-fosfato, piruvato y acetil-CoA.

Al final, en una célula que hipotéticamente pudiera realizar todos los procesos metabólicos (sería autótrofa) entra O₂, CO₂, H₂O y luz; y sale O₂, CO₂, H₂O y ATP.

Figura 18: Esquema general del metabolismo, en una célula hipotética
que pudiera realizar todos los procesos metabólicos básicos