Anabolismo: Síntesis de Moléculas Complejas

El anabolismo es un conjunto de procesos constructivos que suceden en la célula, en los que se produce la síntesis de moléculas complejas a partir de otras más sencillas. Estos procesos son endergónicos, es decir, necesitan la incorporación de energía para llevarse a cabo.

Tipos de Anabolismo y Rutas Metabólicas

Mediante diversas rutas metabólicas, se sintetizan todas las moléculas orgánicas complejas. Podemos distinguir dos grandes categorías:

• Anabolismo autótrofo: Síntesis de materia orgánica a partir de inorgánica. La fuente de energía puede ser luminosa (fotosíntesis) o química (quimiosíntesis).
• Anabolismo heterótrofo: Síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas orgánicas sencillas.

Glucogénesis y Gluconeogénesis: Rutas Clave del Metabolismo de Carbohidratos

Es importante diferenciar dos rutas metabólicas relacionadas con la glucosa:

• Gluconeogénesis: Es una ruta metabólica que pueden llevar a cabo todas las células, en la que se sintetiza glucosa a partir de compuestos orgánicos no glucídicos, como el ácido láctico, aminoácidos o glicerol. Se inicia en la mitocondria, pero tiene lugar principalmente en el citosol.
• Glucogénesis: Es la ruta metabólica en la cual se sintetiza glucógeno a partir de glucosa, con el fin de almacenarla. Se produce principalmente en el hígado y en el músculo esquelético, y tiene dos etapas principales:
  1. Primera etapa: Se activa la glucosa mediante el UTP (Uridina Trifosfato) y se forma UDP-glucosa.
  2. Segunda etapa: Se añaden moléculas de glucosa, procedentes de la UDP-glucosa, a la molécula de glucógeno preexistente.

Anabolismo de Lípidos y Proteínas

Existen también el anabolismo de los lípidos y el de las proteínas. En el caso de las proteínas, las plantas sintetizan todos los aminoácidos que necesitan, mientras que los animales solo sintetizan algunos, incorporando el resto a través de la dieta. La síntesis de proteínas se lleva a cabo en el citosol.

Anabolismo Autótrofo: Fotosíntesis y Quimiosíntesis

Las rutas de síntesis de materia orgánica a partir de inorgánica son diferentes en función de la fuente de energía:

• Los autótrofos fotosintéticos llevan a cabo la fotosíntesis, utilizando la energía luminosa. Entre ellos se encuentran las plantas, las algas y algunas bacterias.
• Los autótrofos quimiosintéticos realizan rutas de quimiosíntesis, utilizando la energía química de la oxidación de compuestos inorgánicos. Son principalmente bacterias, como las del nitrógeno, las del azufre o las del hierro.

Fotosíntesis: Conversión de Energía Luminosa en Química

La fotosíntesis es un proceso de nutrición autótrofa fundamental por el que se forma materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando la energía luminosa. Requiere un dador de hidrógeno (generalmente agua) y un aceptor (dióxido de carbono, CO₂).

La fotosíntesis se realiza a través de un conjunto de reacciones complejas que suceden en dos fases principales:

Fase Luminosa de la Fotosíntesis

Esta fase se produce solo en presencia de luz, en la membrana de los tilacoides del cloroplasto. Aquí se encuentran la cadena fotosintética transportadora de electrones, los fotosistemas y la ATPasa cloroplástica. Durante esta fase, los pigmentos fotosintéticos captan la luz y la transforman en energía química (ATP y NADPH). Se libera oxígeno (O₂) procedente de la molécula de agua (H₂O).

Pigmentos Fotosintéticos y Fotosistemas

Las células fotosintéticas cuentan con pigmentos, que son moléculas capaces de absorber la energía de los fotones de luz. Los principales pigmentos son las clorofilas A y B, pero hay otros pigmentos secundarios como los carotenos y las xantofilas.

Estos pigmentos están agrupados en la membrana del tilacoide, constituyendo fotosistemas, que son estructuras formadas por:

• Un gran número de pigmentos (moléculas antena o colectoras de luz).
• Un centro de reacción, constituido por una clorofila especial unida a una proteína, un dador y un aceptor de electrones.

La clorofila del centro de reacción recibe energía de la luz absorbida por los pigmentos antena y es la única capaz de ceder un electrón, lo que permite aprovechar un amplio espectro de luz en la fotosíntesis.

En las células fotosintéticas, existen dos fotosistemas principales:

• El Fotosistema I (PSI): Presenta un máximo de absorción de 700 nm. La clorofila de su centro de reacción se denomina P700.
• El Fotosistema II (PSII): Presenta su máximo de absorción a 680 nm. La clorofila de su centro de reacción se denomina P680.

Fase Oscura de la Fotosíntesis (Ciclo de Calvin)

Esta fase se localiza en el estroma del cloroplasto y no depende directamente de la luz, aunque sí de los productos energéticos (ATP y NADPH) generados en la fase luminosa. En esta etapa, se reduce el dióxido de carbono (CO₂) para obtener glucosa y otras moléculas orgánicas, utilizando la energía de la fase luminosa. Se lleva a cabo a través de una ruta metabólica cíclica conocida como Ciclo de Calvin.

Factores que Influyen en la Fotosíntesis

El rendimiento de la fotosíntesis puede verse afectado por diversas condiciones ambientales:

• Concentración de CO₂: La velocidad de la fotosíntesis aumenta cuanto mayor es la concentración de CO₂ en el medio, hasta alcanzar un punto de saturación.
• Intensidad de la Iluminación: La velocidad de la fotosíntesis aumenta con la intensidad luminosa, hasta alcanzar un límite en el cual, aunque dicha intensidad aumente, la velocidad ya no puede incrementarse.
• Temperatura: Las reacciones de la fase luminosa son relativamente independientes de la temperatura, pero las de la fase oscura (enzimáticas) aumentan su velocidad de reacción con la temperatura, hasta un óptimo, a partir del cual las enzimas pueden desnaturalizarse.
• Concentración de O₂: El rendimiento de la fotosíntesis disminuye cuando aumenta la concentración de O₂, debido a que el oxígeno es un inhibidor competitivo de la enzima RuBisCO, clave en la fijación del CO₂ (fenómeno conocido como fotorrespiración).
• Humedad: La disponibilidad de agua influye de manera determinante en el rendimiento de la fotosíntesis. El rendimiento disminuye al reducirse el grado de humedad, ya que la planta puede cerrar sus estomas para conservar agua, limitando la entrada de CO₂.
• Fotoperiodo y Color de la Luz:
  • En algunas especies, un mayor número de horas de luz se correlaciona con un mayor rendimiento fotosintético, mientras que otras necesitan alternar las horas de luz con las de oscuridad.
  • El rendimiento también depende del color de la luz; el mayor rendimiento se consigue con luz roja o azul, que son los espectros más absorbidos por las clorofilas.

Quimiosíntesis: Energía Química para la Vida

La quimiosíntesis es un proceso anabólico autótrofo mediante el cual se sintetizan compuestos orgánicos a partir de inorgánicos. A diferencia de la fotosíntesis, la fuente de energía empleada es la energía química liberada por la oxidación de compuestos inorgánicos.

En la quimiosíntesis, se distinguen dos fases:

• Primera fase (equivalente a la fase luminosa): Se oxidan compuestos inorgánicos sencillos (como amoniaco, nitritos, sulfuro de hidrógeno, hierro ferroso), liberándose energía y electrones. La energía liberada se utiliza para fosforilar el ADP y formar ATP. Los electrones reducen el NAD⁺ para formar NADH.
• Segunda fase (equivalente a la fase oscura): Se utilizan el ATP y el NADH generados en la primera fase para reducir compuestos inorgánicos (principalmente CO₂) y obtener compuestos orgánicos.

Los seres vivos que realizan la quimiosíntesis son quimioautótrofos. Tienen una gran importancia ecológica por su papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos (como el ciclo del nitrógeno o del azufre), contribuyendo a la mineralización de la materia orgánica y a la disponibilidad de nutrientes en los ecosistemas.

Tipos de Bacterias Quimioautótrofas

Los sustratos inorgánicos que utilizan estas bacterias varían, lo que permite diferenciar varios grupos:

• Bacterias del nitrógeno (Nitrificantes): Viven en el suelo y en el agua, utilizando compuestos reducidos del nitrógeno. Oxidan el amoniaco (NH₃), procedente de la descomposición de materia orgánica, a nitratos (NO₃^–) en un proceso llamado nitrificación. Se distinguen:
  • Bacterias nitrosificantes: Oxidan el amoniaco a nitritos (NO₂^–).
  • Bacterias nitrificantes: Oxidan los nitritos a nitratos.
• Bacterias incoloras del azufre: Viven en aguas residuales, fuentes hidrotermales y ambientes ricos en azufre. Utilizan azufre elemental (S) o sulfuro de hidrógeno (H₂S) como sustrato.
• Bacterias del hierro (Ferrobacterias): Viven en aguas de vertidos mineros o suelos ricos en hierro, donde oxidan sales ferrosas (Fe²⁺) a sales férricas (Fe³⁺).
• Bacterias del hidrógeno: Utilizan el hidrógeno molecular (H₂) como sustrato. Son quimioautótrofas facultativas y también pueden usar compuestos orgánicos.

Meiosis: La Base de la Reproducción Sexual y la Variabilidad Genética

La meiosis es un tipo de división celular especializada, directamente relacionada con la reproducción sexual. Utiliza células germinales (precursoras de gametos) y da lugar a gametos (óvulos y espermatozoides) o esporas.

Importancia Biológica de la Meiosis

La meiosis cumple dos funciones cruciales:

• Reduce a la mitad el material genético: Una célula diploide (2n cromosomas) produce células haploides (n cromosomas). Esto permite que, tras la fecundación (unión de dos gametos haploides), se restaure la constitución cromosómica diploide característica de la especie. Si la meiosis no existiera, el número de cromosomas se duplicaría en cada generación.
• Aumenta la variabilidad genética de una población: Esto se debe a dos mecanismos principales:
  • La recombinación genética (entrecruzamiento o crossing-over) de la información genética entre cromosomas homólogos.
  • La segregación independiente de los cromosomas homólogos durante la Anafase I.
  Sobre esta variabilidad genética actúan la selección natural y artificial, impulsando la evolución.

Fases de la Meiosis I (División Reduccional)

La meiosis consta de dos divisiones celulares consecutivas. La primera división, o Meiosis I, es reduccional, ya que reduce el número de cromosomas a la mitad.

Profase I

Es la fase más larga y compleja de la meiosis. Los cromosomas se condensan y comienzan a visualizarse. Los cromosomas homólogos se emparejan estrechamente en un proceso llamado sinapsis, formando estructuras bivalentes o tétradas (cada una con cuatro cromátidas). Durante la sinapsis, se produce el sobrecruzamiento (crossing-over), que es la recombinación genética del material hereditario, un fenómeno de intercambio de segmentos de ADN entre cromátidas no hermanas de cromosomas homólogos. A medida que los cromosomas se contraen, se aprecian los quiasmas (puntos donde ocurrió el sobrecruzamiento). El nucléolo y la envoltura nuclear comienzan a desaparecer.

Metafase I

Desaparece la envoltura nuclear y el nucléolo. Los bivalentes (pares de cromosomas homólogos) se condensan al máximo y se sitúan en la placa ecuatorial de la célula, alineados de forma independiente.

Anafase I

Los cromosomas homólogos se separan y migran hacia polos opuestos de la célula. Cada cromosoma aún consta de dos cromátidas hermanas. En este punto, el número de cromosomas en cada polo se reduce a la mitad (de 2n a n).

Telofase I

Cada conjunto de cromosomas (haploide, pero con cromátidas duplicadas) ha llegado a un polo. Los cromosomas pueden descondensarse parcialmente y, en algunas especies, se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de cada grupo. La citocinesis suele ocurrir, dividiendo la célula original en dos células hijas haploides.

Interfase entre Meiosis I y Meiosis II

Entre la primera división meiótica y la segunda puede haber una interfase, que es breve y, a diferencia de la interfase pre-meiótica, no se produce duplicación del ADN.

Fases de la Meiosis II (División Ecuacional)

La segunda división meiótica es similar a una mitosis, donde las cromátidas hermanas se separan.

Profase II

Las envolturas nucleares (si se formaron) se desintegran y comienzan a aparecer las fibras del huso meiótico en cada una de las dos células hijas.

Metafase II

Los cromosomas (cada uno con dos cromátidas) se disponen individualmente en la placa ecuatorial de cada célula. Los centrómeros de las cromátidas hermanas se alinean para su posterior separación.

Anafase II

Los centrómeros de las cromátidas hermanas se separan, y las cromátidas individuales (ahora consideradas cromosomas hijos) migran hacia los polos opuestos de la célula.

Telofase II

Los cromosomas hijos llegan a los polos, se desespiralizan y el huso meiótico se desorganiza. Se forma una nueva envoltura nuclear alrededor de cada conjunto de cromosomas.

Citocinesis Final

Tras la Telofase II, se produce la citocinesis, resultando en la obtención de cuatro células hijas haploides. Cada uno de sus núcleos consta de n cromosomas, y cada cromosoma está compuesto por una única cromátida.

Leyes de Mendel: Principios Fundamentales de la Herencia

Gregor Mendel, a través de sus experimentos con guisantes, estableció los principios básicos de la herencia genética, conocidos como las Leyes de Mendel:

Primera Ley de Mendel: Ley de la Uniformidad

También conocida como la Ley de la Uniformidad de los híbridos de la primera generación (F1). Establece que cuando se cruzan dos variedades de individuos de raza pura (homocigotos) para un determinado carácter, todos los individuos de la primera generación filial (F1) son iguales entre sí (fenotípica y genotípicamente) y se parecen a uno de sus progenitores (el que expresa el carácter dominante).

Segunda Ley de Mendel: Ley de la Segregación

También conocida como la Ley de la Separación de los alelos. Establece que, cuando se cruzan entre sí los individuos de la primera generación filial (F1), los alelos que forman la pareja de alelos se separan o segregan durante la formación de los gametos, de modo que cada gameto recibe solo uno de ellos. Esto da como resultado que en la segunda generación filial (F2) reaparezcan los caracteres recesivos en una proporción fenotípica de 3:1 (tres individuos con el carácter dominante por cada uno con el carácter recesivo).

Tercera Ley de Mendel: Ley de la Transmisión Independiente

También conocida como la Ley de la Herencia Independiente de los Caracteres. Establece que, al considerar dos caracteres diferentes de manera simultánea, los alelos de un gen se transmiten independientemente de los alelos de otro gen. Esto significa que la herencia de un carácter no influye en la herencia de otro, siempre y cuando los genes que los controlan se encuentren en cromosomas diferentes o estén lo suficientemente alejados en el mismo cromosoma.