Metabolismo: Anabolismo

El anabolismo es un conjunto de procesos metabólicos de construcción, donde se sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas más sencillas. Se clasifica en:

• Anabolismo Autótrofo: Realizado por organismos autótrofos, que producen su propia materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas.
• Anabolismo Heterótrofo: Realizado por todos los seres vivos, tanto autótrofos como heterótrofos, para sintetizar sus propias moléculas orgánicas complejas a partir de precursores orgánicos.

Anabolismo Autótrofo: Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso anabólico fundamental mediante el cual, a partir de moléculas inorgánicas (como CO₂ y H₂O) y utilizando la energía de la luz solar, se sintetizan moléculas orgánicas complejas (principalmente glúcidos).

Localización de la Fotosíntesis

En organismos eucariotas (plantas y algas), la fotosíntesis se realiza en los cloroplastos. En organismos procariotas (cianobacterias y algunas bacterias), se lleva a cabo en la membrana plasmática y el citoplasma.

Tipos de Fotosíntesis

• Fotosíntesis Oxigénica: Desprende oxígeno (O₂) a la atmósfera porque utiliza agua (H₂O) como molécula donadora de electrones. Es característica de plantas, algas y cianobacterias.
• Fotosíntesis Anoxigénica (o no oxigénica): No desprende oxígeno porque, en lugar de agua, utiliza otras sustancias (como sulfuro de hidrógeno, H₂S) como donadores de electrones. Es realizada por bacterias verdes y púrpuras del azufre.

Ecuación General de la Fotosíntesis Oxigénica

6H₂O + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Fases de la Fotosíntesis

A) Fase Lumínica (o Fotoquímica)

Esta fase ocurre en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos y requiere luz de manera directa. Durante esta etapa, se produce la oxidación del agua y se libera oxígeno a la atmósfera, además de la formación de ATP y NADPH.

Etapas de la Fase Lumínica:

1. Absorción de la Luz por los Fotosistemas:

   La membrana de los tilacoides contiene pigmentos fotosintéticos (como clorofila y carotenoides), fotosistemas, la cadena transportadora de electrones y las ATPasas.

   • Pigmentos Fotosintéticos: Moléculas como la clorofila y los carotenoides que absorben la luz. Poseen un grupo cromóforo que absorbe la luz de una longitud de onda particular. Al recibir luz, el pigmento se excita y transfiere esa energía.
   • Fotosistemas: Unidades fotosintéticas formadas por proteínas transmembrana que contienen pigmentos. En un fotosistema se distinguen dos partes: el complejo antena (que capta la luz y la transfiere) y el centro de reacción (donde se inicia la transferencia de electrones).
2. Transporte de Electrones por la Cadena Fotosintética:

   Existen dos tipos de transporte de electrones:

   • Transporte Acíclico (o no cíclico): Intervienen dos fotosistemas (Fotosistema I y Fotosistema II). El transporte se realiza en contra de un gradiente de potencial redox, impulsado por la energía de los fotones. Produce ATP y NADPH.
   • Transporte Cíclico: Es un circuito cerrado de transporte de electrones. Los electrones cedidos por la clorofila P700 (del Fotosistema I) dan una vuelta a lo largo de la cadena transportadora tras recibir un fotón, regresando a la molécula inicial. En este proceso:
     • No se produce fotólisis del agua.
     • No hay reducción de NADP⁺ a NADPH.
     • Se produce bombeo de protones, lo que contribuye a la formación de ATP.
3. Fosforilación Fotosintética (o Fotofosforilación):

   Mecanismo análogo al de la cadena respiratoria. Se forma un gradiente electroquímico de protones entre el estroma y el espacio intratilacoidal, lo que permite la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa.

B) Fase Oscura (o Biosintética)

Esta fase ocurre en el estroma del cloroplasto y no requiere luz directamente. Conlleva el consumo de NADPH y ATP, producidos en la fase lumínica, para sintetizar moléculas orgánicas. Existen varios tipos según la molécula que se reduce:

1. Reducción de CO₂ (Ciclo de Calvin o Ciclo C₃)

Es la vía principal para la fijación del carbono en la mayoría de las plantas. Se divide en tres etapas:

1. Fijación del CO₂: El dióxido de carbono se une a una molécula de cinco carbonos (ribulosa-1,5-bifosfato), reacción catalizada por la enzima RuBisCO (ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa).
2. Fase de Reducción: Se producen reacciones donde se consume NADPH y ATP para convertir el 3-fosfoglicerato en gliceraldehído-3-fosfato.
3. Fase de Regeneración: Se regenera la molécula inicial (ribulosa-1,5-bifosfato) para que el ciclo pueda continuar, con consumo adicional de ATP.

2. Reducción de Nitratos y Sulfatos

En los cloroplastos, las plantas también reducen nitratos (NO₃⁻) y sulfatos (SO₄²⁻) presentes en el suelo. Estas formas oxidadas deben ser reducidas para su incorporación en la síntesis de moléculas orgánicas como aminoácidos y proteínas.

Factores que Influyen en la Fotosíntesis

El rendimiento de la fotosíntesis se ve influenciado por diversos factores ambientales:

• Intensidad Lumínica: A mayor intensidad de luz, mayor rendimiento fotosintético hasta un punto de saturación.
• Temperatura: Cada especie tiene una temperatura óptima para la fotosíntesis. Temperaturas muy bajas o muy altas pueden desnaturalizar las enzimas y reducir el rendimiento.
• Concentración de CO₂: Un aumento en la concentración de dióxido de carbono generalmente incrementa la tasa fotosintética hasta un punto de saturación.
• Concentración de O₂: Una alta concentración de oxígeno puede inhibir la fotosíntesis (fenómeno de fotorrespiración), por lo que a mayor O₂, menor rendimiento.
• Disponibilidad de Agua: El agua es un reactivo esencial. La escasez de agua puede cerrar los estomas, limitando la entrada de CO₂.

Resumen de los Procesos Fotosintéticos

1. Captación de la energía lumínica por las clorofilas y otros pigmentos fotosintéticos, y su transformación en energía química contenida en el ATP y NADPH.
2. Obtención de electrones a partir del agua (en fotosíntesis oxigénica); estos electrones servirán para reducir NADP⁺ a NADPH.
3. Incorporación del carbono del CO₂ a las cadenas carbonadas (fijación del carbono).
4. Reducción del carbono incorporado por el NADPH y síntesis de compuestos orgánicos (azúcares).
5. Reducción de otras sustancias inorgánicas (como nitratos y sulfatos) para incorporarlas a las cadenas carbonadas y formar otras biomoléculas.

Importancia y Consecuencias de la Fotosíntesis

1. Base de la Cadena Alimentaria: Prácticamente todos los seres vivos dependen directa o indirectamente de la fotosíntesis para la obtención de sustancias orgánicas (alimento) y energía. Los organismos fotosintéticos son los productores primarios de los ecosistemas.
2. Oxigenación de la Atmósfera: El oxígeno (O₂) liberado durante la fotosíntesis oxigénica transformó la primitiva atmósfera anóxica de la Tierra, haciendo posible la evolución y existencia de los organismos heterótrofos aeróbicos.

Quimiosíntesis: Anabolismo sin Luz

La quimiosíntesis es un tipo de proceso anabólico en el que los organismos utilizan la energía liberada de reacciones químicas de oxidación de compuestos inorgánicos para sintetizar materia orgánica. Se distingue en dos fases:

1. Fase de Obtención de Energía: Consiste en la oxidación de distintos compuestos inorgánicos (como amoniaco, nitritos, sulfuro de hidrógeno, hierro ferroso) para obtener ATP y NADH (o NADPH).
2. Fase de Síntesis de Materia Orgánica: Similar a la fase oscura de la fotosíntesis, se utiliza el ATP y NADH/NADPH producidos para fijar CO₂ y sintetizar moléculas orgánicas.

Tipos de Bacterias Quimiosintéticas (según el sustrato oxidado)

• Bacterias Quimiosintéticas del Azufre: Oxidan compuestos de azufre (H₂S, S, S₂O₃²⁻). Se encuentran en ambientes ricos en azufre, como aguas residuales o fuentes hidrotermales.
• Bacterias Quimiosintéticas del Nitrógeno (Nitrificantes): Oxidan compuestos nitrogenados. Incluyen:
  • Bacterias Nitrosificantes: Oxidan amoniaco (NH₃) a nitritos (NO₂⁻).
  • Bacterias Nitrificantes: Oxidan nitritos (NO₂⁻) a nitratos (NO₃⁻).
  Viven ampliamente distribuidas en suelos y aguas, siendo cruciales en el ciclo del nitrógeno.
• Bacterias Quimiosintéticas del Hierro: Oxidan hierro ferroso (Fe²⁺) a férrico (Fe³⁺). Se encuentran en ambientes con alta concentración de hierro, como aguas de vertidos ácidos.

Las bacterias quimiosintéticas son los únicos seres vivos que no dependen, ni directa ni indirectamente, de la luz solar para su nutrición. Tienen una gran importancia ecológica porque son responsables de cerrar los ciclos biogeoquímicos (como el del nitrógeno, azufre y hierro), reciclando nutrientes esenciales en los ecosistemas.

Anabolismo Heterótrofo

El anabolismo heterótrofo comprende los procesos mediante los cuales, a partir de moléculas orgánicas sencillas (precursores), se sintetizan moléculas orgánicas complejas. Es realizado tanto por organismos autótrofos como heterótrofos.

La energía necesaria para estos procesos proviene del catabolismo. En organismos autótrofos, parte de la energía puede derivar directamente de la fotosíntesis o quimiosíntesis. Los procesos anabólicos heterótrofos pueden ser:

• Síntesis de Monómeros: Formación de unidades básicas (ej., aminoácidos, nucleótidos) a partir de precursores más simples.
• Síntesis de Polímeros: Unión de monómeros para formar macromoléculas (ej., proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, lípidos complejos).

Síntesis de Biomoléculas en el Anabolismo Heterótrofo

1. Síntesis de Glúcidos: Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es el proceso de síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos (como lactato, aminoácidos o glicerol). Es un proceso parcialmente inverso a la glucólisis. Aunque muchas etapas son reversibles, existen tres pasos irreversibles en la glucólisis que deben ser»rodeado» por reacciones diferentes en la gluconeogénesis.

Para formar una molécula de glucosa mediante gluconeogénesis, se consumen 6 moléculas de ATP (o equivalentes energéticos), lo que indica que es un proceso que requiere más energía de la que se obtiene en la glucólisis.

2. Síntesis de Lípidos: Ácidos Grasos

La formación de ácidos grasos es una etapa crucial en la síntesis de lípidos. La síntesis de ácidos grasos es, en esencia, una ruta inversa a la beta-oxidación, pero con diferencias clave en enzimas y localización.

• Localización: Se realiza en el citosol en animales y en el estroma de los cloroplastos en plantas.
• Proceso: Se van añadiendo unidades de dos carbonos (acetil-CoA) en cada ciclo de síntesis.
• Diferencia con Beta-Oxidación: En contraste, la beta-oxidación (degradación de ácidos grasos) ocurre en la matriz mitocondrial y elimina dos carbonos en cada ciclo.