Ciclo Celular

El ciclo celular comprende el tiempo que transcurre entre dos divisiones sucesivas, es decir, desde la formación de la célula hasta su división (o muerte). En él tienen lugar la mayoría de las actividades celulares, entre ellas la síntesis de proteínas, la replicación del ADN, etc.

Interfase

La interfase, o período de crecimiento celular, comprende el tiempo que transcurre entre dos divisiones sucesivas, es decir, desde la formación de la célula hasta su división (o muerte). En ella tienen lugar la mayoría de las actividades celulares, entre ellas la síntesis de proteínas, la replicación del ADN, etc.

La interfase se divide en tres subfases: G1, S y G2. La síntesis de proteínas y de ARN se produce a un ritmo constante a lo largo de toda la interfase, pero la síntesis de ADN (duplicación) solamente se realiza durante la fase S (S de síntesis).

Fases de la Interfase

• Fase G1

  El período G1 comienza inmediatamente después de la división anterior y durante esta etapa la célula tiene una gran actividad metabólica. Aumenta de tamaño, se sintetizan proteínas, se forman orgánulos citoplasmáticos y estructuras membranosas. Al final de la G1 se distingue un momento de no retorno, denominado punto de restricción o punto R, a partir del cual ya es imposible detener que se sucedan las fases S, G2 y M. Dentro de la G1, algunas células entran en el período G0. Durante esta fase, las células permanecen en un estado de quietud, no avanzan hacia la división celular (la célula no entra en las fases siguientes, pausa su ciclo celular); la fase G0 es una prolongación de la fase G1 que evita que la célula se divida y ocurre en las células que no necesitan dividirse. Tradicionalmente se pensaba que en los adultos las neuronas permanecían en esta fase y no se dividían, pero en la actualidad se sabe que, en algunas zonas del cerebro, como en el hipocampo, aparecen nuevas neuronas por un proceso conocido como neurogénesis. De la fase G0 se puede salir y las células pueden volver otra vez a incorporarse al ciclo celular normal. Por ejemplo, algunos tipos celulares, como los hepatocitos, si son debidamente estimulados pueden recuperar la capacidad de división y pasar de G0 a G1.

• Fase S – Duplicación del ADN

  El período S es el de síntesis, duplicación o replicación del ADN. Además, se siguen transcribiendo los genes necesarios para sintetizar las proteínas que precise la célula. Durante esta fase comienza la duplicación de los centriolos: primero se separan un poco y a continuación, cerca de la base de cada centriolo y perpendicularmente, empiezan a polimerizarse los microtúbulos del nuevo centriolo hijo. También en esta fase se sintetizan las nuevas histonas.

• Fase G2

  El período G2 es el que antecede a la mitosis. En este período las fibras cromatínicas (moléculas de ADN) ya están duplicadas, cada cromosoma estará formado por dos cromátidas (o moléculas de ADN) unidas a nivel del centrómero. En esta fase la célula contiene el doble de ADN que en la fase G1. Se sintetizan las proteínas necesarias para la división de la célula, la tubulina del huso y otras estructuras que intervienen en la separación de los cromosomas y en la citocinesis. Al final de esta fase, la célula ya contiene 2 centrosomas. Si consideramos que el ciclo vital de una célula son 24 horas: 11 horas estaría en G1, 8 horas en S, 4 horas en G2 y solo 1 hora en M.

División Celular (Fase M)

La división celular es el período en que se forman las dos células hijas a partir de la célula inicial, también llamada fase M. Incluye la división del núcleo o cariocinesis y la división del citoplasma o citocinesis.

Mitosis

• Profase

  Es la primera fase de la mitosis, y la más larga. A veces se subdivide en profase temprana (antes de la desaparición de la envoltura nuclear) y profase tardía (después de la desaparición de la envoltura nuclear). Durante la profase, ocurren varios procesos:

  • Condensación progresiva de la cromatina formando los cromosomas (permite su visualización a microscopio). Cada cromosoma tiene dos cromátidas.
  • Desaparición de la envoltura nuclear y el nucléolo. El nucleoplasma se mezcla con el citoplasma.
  • Formación del huso mitótico: los centriolos van migrando hacia los polos y, desde los microtúbulos del áster, empiezan a aparecer las fibras (microtúbulos) del huso mitótico, que enlazan las dos parejas de centriolos. Las células vegetales no tienen centriolos y en ellas no se forman los ásteres.

• Metafase

  Los cromosomas, en su máxima condensación, se sitúan en el ecuador celular formando la placa ecuatorial (la obtención del cariotipo se realiza a partir de células en esta fase). Los acontecimientos que ocurren durante la metafase son:

  • Condensación máxima de los cromosomas.
  • Los cromosomas se sitúan en el ecuador de la célula, formando la placa ecuatorial.
  • Aparición de los cinetocoros en los cromosomas (disco proteico unido al centrómero), donde se unen las fibras del huso mitótico.

• Anafase

  Ocurre la separación de las cromátidas. Los microtúbulos del huso, ya unidos a los cinetocoros de los cromosomas, disminuyen su longitud provocando la separación de las cromátidas. Cada cromátida de un cromosoma, arrastrada por las fibras del huso, se dirige a un polo de la célula. En esta fase los cromosomas adoptan una forma de V debido a que el cinetocoro parece arrastrar al resto del cromosoma. Durante la anafase, a las cromátidas ya se les considera cromosomas independientes.

• Telofase

  Los cromosomas completan su migración y llegan a los polos celulares. Además, se desespiralizan progresivamente, haciéndose menos visibles; comienza la desorganización del huso mitótico, la reaparición del nucleolo y de la envoltura nuclear.

Citocinesis

Citocinesis en células animales

Se forma un anillo contráctil de microfilamentos de actina y miosina bajo la superficie de la membrana plasmática. Este anillo se va cerrando hasta que estrangula completamente la célula dividiendo en dos su citoplasma.

Citocinesis en células vegetales

Se forma un tabique, denominado fragmoplasto, a partir de vesículas del aparato de Golgi y restos de fibras del huso. Estas vesículas se unen unas con otras hasta que tabican completamente la célula dividiendo su citoplasma en dos.

Meiosis

Primera División Meiótica (Meiosis I)

Durante esta fase, la envoltura nuclear desaparece, la cromatina se condensa y aparecen los cromosomas, ocurre el entrecruzamiento y comienza la formación del huso acromático. Es muy compleja, por lo que se divide a su vez en varias subfases:

• Leptoteno

  Los cromosomas, dentro del núcleo, aparecen como largos filamentos. A pesar de que cada cromosoma ya está constituido por dos cromátidas (se formaron en la fase S) todavía no se observan bien diferenciadas. Poco a poco van condensando hasta su perfecta visualización. Condensación de la cromatina formando cromosomas.

• Zigoteno

  Se emparejan los cromosomas homólogos que son aquellos que tienen información para los mismos caracteres. Proceden uno de cada progenitor. Ese emparejamiento provoca la formación de unas estructuras conocidas como tétradas o bivalentes. El mecanismo de unión se denomina sinapsis cromosómica y la estructura proteica que permite la unión de los cromosomas recibe el nombre de complejo sinaptonémico.

• Paquiteno

  En esta fase se produce el sobrecruzamiento cuyo resultado es la recombinación génica del material hereditario. El sobrecruzamiento es un fenómeno de intercambio de segmentos de ADN (genes) entre cromátidas homólogas (no hermanas).

• Diploteno

  Los cromosomas homólogos inician su separación, que no es completa, ya que quedan unidos por unos puntos llamados quiasmas. Los quiasmas son la prueba de que se ha producido el sobrecruzamiento.

• Diacinesis

  El nucleolo y la membrana nuclear comienzan a desaparecer. Se forma el huso acromático.

• Metafase I

  Los bivalentes se condensan al máximo y se sitúan en la placa ecuatorial, orientándose al azar hacia uno u otro polo celular cada miembro de la pareja de homólogos. Los microtúbulos del huso se unen a los cinetocoros de los cromosomas.

• Anafase I

  Los bivalentes se separan, y cada cromosoma homólogo es dirigido hacia un polo celular por los microtúbulos del huso.

• Telofase I y Citocinesis

  Los cromosomas llegan a los polos; en cada polo se encuentra la mitad de cromosomas que en la célula original. Pueden volver a formarse las envolturas nucleares y descondensarse ligeramente los cromosomas. El citoplasma se divide y se originan finalmente dos células hijas haploides, ya con la mitad de cromosomas que la célula madre.

Tras la primera división meiótica, hay una breve interfase sin duplicación de ADN, en la que sí se duplican los centrosomas.

Segunda División Meiótica (Meiosis II)

• Profase II

  Las envolturas nucleares se desintegran, se vuelven a compactar al máximo los cromosomas y se forma un nuevo huso acromático.

• Metafase II

  Los cromosomas se disponen formando la placa ecuatorial y las fibras del huso se unen a sus cinetocoros.

• Anafase II

  Las cromátidas hermanas se separan (ya forman los cromosomas hijos) y viajan hacia los polos arrastradas por los microtúbulos del huso.

• Telofase II y Citocinesis

  Los cromosomas llegan a los polos y se desespiralizan, el huso se desorganiza, las envolturas nucleares se forman alrededor de los cromosomas formando los núcleos hijos. Se produce una nueva citocinesis que divide en dos el citoplasma originando las células hijas.

Muerte Celular

Este ciclo vital se ve interrumpido cuando se produce la muerte celular, que se puede producir de dos formas:

• Necrosis o muerte accidental

  Se produce cuando la célula sufre un daño grave; por ejemplo, por falta de oxígeno. Los caracteres morfológicos que acompañan este tipo de muerte implican un hinchamiento de la célula y una intensa y rápida alteración de la estructura normal de la membrana plasmática y de los orgánulos citoplasmáticos, incluido el núcleo.

• Apoptosis o muerte celular programada

  Se trata de una muerte natural, en el curso de la cual las células se autodestruyen en ejecución de un programa genético en el que están implicadas proteínas de efectos antagónicos. La célula se rompe en muchos fragmentos o cuerpos apoptóticos que son fagocitados por los macrófagos.

Replicación del ADN

La duplicación del ADN es el proceso por el cual una molécula de ADN (con doble hélice) da lugar a otras dos moléculas con la misma secuencia de bases. Se produce durante en la fase S de la interfase y es necesaria para el reparto del material genético entre las células hijas durante la división celular.

Actualmente se conoce con detalle el proceso de la duplicación del ADN y las enzimas implicadas en el mismo, pero históricamente, se han propuesto varias hipótesis para explicar este proceso. El experimento definitivo para dilucidar cuál de las tres hipótesis era la correcta fue el de Meselson y Stahl, que confirmó la hipótesis semiconservativa:

• Hipótesis conservativa

  Tras la duplicación quedan, por un lado, las dos hebras antiguas juntas y, por otro, las dos hebras nuevas también juntas.

• Hipótesis dispersiva

  Proponía que las hebras finales están constituidas por fragmentos distintos de ADN antiguo y de ADN recién sintetizado.

• Hipótesis semiconservativa

  En las dos nuevas moléculas de ADN de doble hélice hijas, una de las hebras sería la antigua, que actúa como molde, y la otra hebra es la nueva, formada por polimerización de nucleótidos libres complementarios a los de la hebra molde.

Elementos Clave en la Replicación

En la replicación intervienen los siguientes elementos:

• ADN polimerasas

  Son las enzimas encargadas de catalizar la formación de los enlaces fosfodiéster en sentido 5’ → 3’. La ADN polimerasa:

  • Recorre la cadena molde en sentido 3’ → 5’.
  • Va creando la cadena complementaria en sentido 5’ → 3’.

  En procariotas existen tres polimerasas, las ADN polimerasas I, II y III, siendo la III la más importante. La ADN polimerasa no puede sintetizar la cadena molde de novo; necesitan un extremo 3´OH que sirve como iniciador, primer o cebador. Necesitan también una cadena de ADN que les sirva de molde y los nucleótidos trifosfato para la nueva cadena.

• ADN Helicasas

  Son las enzimas encargadas de romper los puentes de hidrógeno, separar las dos cadenas y abrir la burbuja de replicación.

• ADN Topoisomerasas o Girasas

  Eliminan los superenrollamientos causados por la helicasa rompiendo una de las hebras y volviendo a unirla.

• ARN Primasa

  Es la encargada de crear el primer o cebador, con el que empieza la síntesis de la cadena molde y aporta el extremo 3’ libre, perfecto para que la ADN polimerasa pueda actuar.

• ADN Ligasa

  Une dos fragmentos adyacentes de la misma cadena catalizando la formación del enlace fosfodiéster entre sus nucleótidos.

• Proteínas SSB

  Se unen al ADN cuando está en cadena simple y lo estabilizan.

Conceptos Básicos de la Replicación

Antes de describir el proceso de duplicación, hay que definir algunos conceptos básicos:

• OriC: Origen de replicación. Punto a partir del cual las dos cadenas se separan, la replicación avanza y se copian las dos hebras a la vez.
• La replicación es bidireccional: Ocurre en dos direcciones y simultáneamente en las dos cadenas de ADN.
• Burbuja de replicación: Estructura que se forma durante el proceso de replicación. Empieza su formación a partir del OriC. Si dividimos las burbujas de replicación de manera vertical delimitamos dos horquillas de replicación.
• Cebador o primer: Fragmento de ARN que permite que la ADN polimerasa pueda comenzar a crear la cadena molde.
• Cadena conductora o adelantada: Aquella cadena molde que se sintetiza de forma continua.
• Cadena retardada o retrasada: La cadena que se sintetiza de manera discontinua, en fragmentos de Okazaki.
• Fragmentos de Okazaki: Pequeños fragmentos que aparecen en la hebra retardada, que al final del proceso se unen gracias a la acción de la ligasa.

Replicación en Procariotas

1. Una secuencia de nucleótidos del ADN, denominada “origen de replicación”, actúa como señal de iniciación.
2. El proceso se inicia cuando una enzima, denominada helicasa, rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras complementarias y las separa para que sirvan de patrones o moldes. Al desenrollar la doble hélice se originan superenrollamientos en otras zonas de la molécula, por lo que es necesario que las topoisomerasas eliminen esas tensiones. Estas proteínas cortan una (topoisomerasas I) o las dos hebras (topoisomerasas II) y, una vez liberadas las tensiones, vuelven a unirlas. En E. coli, la topoisomerasa II se denomina girasa.
3. A continuación, unas proteínas denominadas proteínas estabilizadoras o SSB se enlazan sobre el ADN de cadena sencilla para mantener la separación de las dos hebras complementarias. Así se inicia la formación de la horquilla de replicación.
4. El proceso descrito hasta ahora es bidireccional, es decir, hay una helicasa trabajando en cada sentido, de manera que las dos horquillas forman una estructura denominada burbuja u ojo de replicación.
5. Una ARN-polimerasa, denominada primasa, sintetiza un corto fragmento de ARN de unos diez nucleótidos, denominado primer o cebador. (Las ADN-polimerasas no pueden comenzar su trabajo sin un cebador, un extremo de una cadena de nucleótidos sobre el que comenzar a añadir nuevos nucleótidos).
6. La ADN-polimerasa III, partiendo del primer, comienza la síntesis de una nueva hebra de ADN a partir de nucleótidos trifosfato, en dirección 5´ → 3´. La energía necesaria es aportada por los propios nucleótidos, que pierden dos de sus grupos fosfato. Esta nueva hebra es de crecimiento continuo y se denomina hebra conductora.
7. La ADN polimerasa III no puede ir añadir nucleótidos en dirección 3’ → 5’, por lo que al otro lado del origen de replicación, la hebra nueva que se forma lo hace de forma discontinua. Sobre la otra hebra molde de ADN, la ARN-polimerasa sintetiza un primer a unos 1000 nucleótidos del origen de replicación. A partir de él, la ADN-polimerasa III sintetiza un fragmento de ADN, formándose así un fragmento de Okazaki. Cuando la burbuja de replicación se amplía, se añade otro fragmento, y así repetidamente. A medida que las dos hebras molde se van separando, se repite este proceso, formándose varios fragmentos. Esta hebra es de crecimiento discontinuo y tarda más en formarse que la otra, por esto se denomina hebra retardada.
8. La ADN-polimerasa I, que tiene función exonucleasa, retira los fragmentos de ARN de los cebadores y los sustituye por nucleótidos de ADN.
9. Finalmente, la ADN-ligasa une entre sí los diferentes fragmentos de ADN recién formados.

Replicación en Eucariotas

El proceso de replicación en eucariotas ocurre en el núcleo y es muy similar al descrito en procariotas, salvo por algunas diferencias básicas:

• El ADN de eucariotas está fuertemente asociado a histonas. La hebra que sirve de molde a la hebra conductora se queda con las histonas y ambas se enrollan sobre los octámeros antiguos. La hebra que sirve de patrón a la hebra retardada y la retardada se arrollan sobre nuevos octámeros de histonas que llegan procedentes del citoplasma.
• En cada molécula de ADN (cromosoma) no hay un solo origen de replicación, sino varios, que se activan de forma coordinada y constituyen las llamadas unidades de replicación o replicones.
• En eucariotas hay 5 tipos de ADN polimerasas (α, β, ɣ, ɖ y ɛ).
• Los fragmentos de Okazaki son más pequeños en eucariotas.
• En el extremo del cromosoma, el telómero, al eliminar el cebador, la hebra retardada queda incompleta. Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno que se asocia con los procesos de envejecimiento y muerte celular.

Transcripción

Transcripción en Procariotas

Interviene una ARN polimerasa.

• Iniciación

  La ARN polimerasa reconoce la zona del ADN que se va a transcribir y se une a una determinada región llamada promotor que marca el inicio del proceso. Esta región consta de unas secuencias de nucleótidos concretas, denominadas secuencias consenso. La ARN-pol reconoce por sí misma al promotor, se une a esta secuencia y comienza la adición de nucleótidos de ARN complementarios.

• Elongación

  La ARN polimerasa va añadiendo los ribonucleótidos formando la cadena de ARN, seleccionando el ribonucleótido complementario y uniéndolo al anterior por enlaces fosfodiéster. La ARN polimerasa recorre la cadena molde de ADN en sentido 3’ → 5’ por lo que la nueva cadena que se sintetiza lo hace en sentido 5’ → 3’.

• Terminación

  La ARN polimerasa reconoce en el ADN unas señales de terminación (GCTT…) que indican el final de la transcripción. La burbuja de transcripción se cierra y se separan la ARN polimerasa del ARN transcrito.

• Maduración

  Los organismos procariotas no necesitan maduración post-transcripcional para la síntesis de ARNm. Este se emplea directamente para la síntesis proteica en los ribosomas. Sin embargo, el ARNt y el ARNr se forman a partir de una larga cadena de ARN denominada transcrito primario, que se fragmenta para formar el ARNr y el ARNt.

Transcripción en Eucariotas

La transcripción en eucariotas ocurre en el núcleo. Intervienen tres ARN polimerasas (según el ARN que se sintetice). El ARN formado sufrirá maduración (eliminación de intrones). Además, el ADN debe separarse de las histonas para que pueda transcribirse.

• Iniciación

  El promotor (región del ADN) contiene dos secuencias consenso: CAAT y TATA. A ellas se unen unas proteínas denominadas factores de transcripción y posteriormente la ARN polimerasa II (sintetiza el ARNm). Todo ello forma el complejo de iniciación de la transcripción.

• Elongación o Alargamiento

  La ARN polimerasa II añade nucleótidos al ARNm en dirección 5′ → 3′. Cuando se han sintetizado 30 nucleótidos aproximadamente, se añade en el extremo 5′ una guanosina trifosfato metilada e invertida (m-Gppp) denominada capucha.

• Finalización

  Cuando la ARN-pol lee la secuencia TTATTT del ADN (señal de fin de la transcripción) se separa del ADN, y una poli-A polimerasa añade al extremo 3′ un grupo de adeninas llamada cola poli-A. Así queda terminado el transcrito primario de ARNm o pre-ARN.

• Maduración (Splicing)

  Ocurre en el núcleo. En eucariotas, el ADN presenta intrones (secuencias sin información que no se traducen a proteínas) y exones (secuencias que sí se utilizarán para la síntesis de la proteína). Cuando el ARN se transcribe, se copia la información tanto de los intrones como de los exones, pero a posteriori, se deben eliminar aquellos fragmentos de ARN correspondientes a los intrones, pues no aportan información alguna. Ese proceso de eliminación se llama “splicing”. Los intrones del pre-ARNm forman bucles junto con unas proteínas RNPs (ribonucleoproteínas pequeñas nucleares), llamados espliceosomas, de manera que estos bucles se cortan y se empalman los fragmentos correspondientes a los exones, dando lugar al ARNm maduro.

Metabolismo

Catabolismo

El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo cuya finalidad es la obtención de energía. La energía liberada en el catabolismo es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP. Las reacciones del catabolismo son reacciones de oxidación, es decir, de pérdida de electrones. Un átomo solo puede perder electrones (oxidarse) si hay otro átomo que los acepta (se reduce).

Dado que la materia que experimenta el catabolismo es materia orgánica, constituida básicamente por carbono e hidrógeno, la forma de oxidarse es mediante la pérdida de átomos de hidrógeno (deshidrogenación) o por ganancia de átomos de oxígeno (oxigenación).

• Deshidrogenación

  Cuando una molécula pierde hidrógenos se oxida, ya que un átomo de hidrógeno se compone de un protón y un electrón. Por esto mismo, una molécula se reduce cuando gana átomos de hidrógeno. En la materia orgánica, para que una molécula pueda deshidrogenarse, ha de haber otra que acepte esos hidrógenos, denominada molécula aceptora de hidrógenos; los átomos de hidrógeno desprendidos en las reacciones de oxidación son captados por unas moléculas llamadas transportadoras de hidrógeno, como son el NAD+ (nicotín-adenín-dinucleótido), el NADP+ (nicotín-adenín-dinucleótido fosfato) y el FAD (flavín-adenín-dinucleótido), hasta que finalmente son traspasados a la molécula aceptora final de hidrógeno, que se reduce.

• Oxigenación

  Una molécula se oxida al sufrir la incorporación de átomos de oxígeno. Como el oxígeno es más electronegativo que el carbono (atrae con más fuerza que el carbono a los electrones compartidos), cuantos más oxígenos acompañantes tenga el carbono, menos electrones poseerá en propiedad.

En las reacciones de oxidación-reducción los protones (H+) y los electrones (e-) suelen ir separados; estos últimos, antes de llegar a la molécula aceptora final de electrones, son captados por los llamados transportadores de electrones, que son los citocromos. El paso de los electrones de un citocromo a otro conlleva una disminución del nivel energético del electrón y la liberación de una energía que es utilizada para fosforilar el ADP y formar moléculas de ATP. Los electrones liberados por la molécula que se oxida ocuparán en los átomos de la molécula aceptora niveles de menor energía. Esta pérdida energética es la que se utiliza para realizar los enlaces fosfato entre el ADP y el Pi y sintetizar la molécula de ATP.

Catabolismo de los Glúcidos

• Glucólisis

  Primera fase del catabolismo glucídico. Es totalmente anaerobia, pues no se necesita la presencia de oxígeno. Se lleva a cabo en el citoplasma celular. Comprende una serie de reacciones químicas que transforman una molécula de glucosa (6C) en dos moléculas de ácido pirúvico (3C), liberándose 2 ATP y 2 NADH + 2H+.

• Ciclo de Krebs

  El ácido pirúvico producido en la glucólisis, para poder ser oxidado por respiración, debe entrar en el interior de las mitocondrias atravesando la doble membrana de estas. Para ello sufre un complicado proceso de oxidación y descarboxilación en el que intervienen varias enzimas y coenzimas, el denominado sistema piruvato-deshidrogenasa, que cataliza la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, que lo transforma en acetil-S-CoA; esta molécula se puede ya incorporar al ciclo de Krebs.

  El ciclo de Krebs ocurre en la matriz mitocondrial (medio interno de las mitocondrias) y consta de varias reacciones sucesivas, comenzando con la unión del acetil-S-CoA (2C) con el ácido oxalacético (4C) para formar ácido cítrico (6C), liberando el CoA; al final del ciclo, se forma de nuevo el oxalacetato, de manera que puede volver a comenzar el ciclo con otro acetil-CoA.

  Como en el ciclo entra un compuesto de 2C (el acetil-CoA) y se producen dos descarboxilaciones, la molécula queda totalmente degradada.

  La reacción global del sistema piruvato-deshidrogenasa y del ciclo de Krebs libera 4 NADH + H+ y 1 FADH2 (que se dirigen a la cadena transportadora de electrones en las crestas mitocondriales), 1 GTP (equivalente a un ATP) y se liberan 3 CO2. Como en la glucólisis se producen dos moléculas de ácido pirúvico, para la degradación total de una molécula de glucosa hacen falta dos vueltas al ciclo de Krebs.

• Transporte de Electrones en la Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

  El balance energético directo de la glucólisis y del ciclo de Krebs es bastante reducido, ya que solo se producen 2 ATP y 2 GTP. Sin embargo, en ambas fases se han reducido varias moléculas de NAD+ y FAD que se han convertido en NADH + H+ y FADH2.

  El denominado transporte de electrones en la cadena respiratoria es la segunda y última etapa de la respiración, y su finalidad es la oxidación de las coenzimas reducidas (NADH + H+ y FADH2) para formar ATP. Consiste en una cadena de moléculas orgánicas, situadas en la membrana de las crestas mitocondriales, que se reducen y se oxidan a medida que van traspasando unas a otras los protones y los electrones procedentes del NADH y FADH2.

  Esta serie de moléculas que se reducen y se oxidan se llama cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. En ella algunas moléculas transportan simultáneamente electrones y protones, como el complejo NADH deshidrogenasa (I) y el complejo coenzima Q reductasa o ubiquinona (II), mientras que otras solo transportan electrones, como el complejo de citocromos b-c1 y el complejo de citocromos a-a3 o citocromo-oxidasa (IV). En las células eucariotas, las moléculas que integran la cadena respiratoria se encuentran en las crestas formadas por la membrana mitocondrial interna en el mismo orden que se han citado.

  El NADH + H+ se oxida y cede sus protones y electrones al complejo I. El FADH2 se oxida y cede sus protones y electrones al complejo II. Los electrones van pasando por los diferentes complejos de la cadena transportadora y finalmente llegan al complejo IV, que los cede al O2 molecular, que es el aceptor final de los electrones. Al aceptar los electrones se une a protones formando agua.

  Cada transportador de electrones de la cadena se oxida al ceder los electrones y el siguiente se reduce al aceptarlos; esto libera energía, que se invierte en bombear protones al espacio intermembrana. Los protones se acumulan creando un gradiente electroquímico. Esos protones vuelven a la matriz mitocondrial atravesando las partículas F o ATP sintetasas, suministrándoles la energía necesaria para la síntesis de ATP. Este proceso se denomina fosforilación oxidativa.

  Por cada NADH + H+ que llega a la cadena se obtienen 3 ATP. En la glucólisis se habían formado 2 NADH + H+. En el ciclo de Krebs se habían formado 8 NADH + H+. 10 · 3 = 30 ATP.

  Por cada FADH2 que llega a la cadena se obtienen 2 ATP. En el ciclo de Krebs se habían formado 2 FADH2. 2 · 2 = 4 ATP.

  Balance total aproximado por glucosa: 34 ATP en cadena respiratoria + 2 GTP en ciclo de Krebs + 2 ATP en glucólisis = 38 ATP a partir de una sola molécula de glucosa.

Fermentaciones

Procesos catabólicos anaerobios que ocurren en el citoplasma.

• Fermentación Láctica

  El ácido pirúvico es reducido a ácido láctico por medio del NADH + H+. Se libera NAD+ que puede incorporarse de nuevo a la glucólisis. La realizan bacterias del género Lactobacillus; se utiliza para producir yogur, queso y requesón. También realizan la fermentación láctica las células musculares cuando no reciben un aporte suficiente de oxígeno, lo que ocurre cuando se lleva a cabo un ejercicio físico intenso (agujetas).

• Fermentación Alcohólica

  El ácido pirúvico se descarboxila transformándose en acetaldehído y este es reducido por el NADH + H+ dando lugar a alcohol etílico o etanol. En el proceso se libera NAD+ (que puede volver a incorporarse a la glucólisis) y CO2. La realizan levaduras del género Saccharomyces. Es un proceso importante en la industria, se usa para producir bebidas alcohólicas (cerveza, vino, sidra…) y en la elaboración del pan.

• Fermentación Butírica

  Descomposición de sustancias glucídicas de origen vegetal (almidón, celulosa…) en sustancias como el ácido butírico y dióxido de carbono. La realizan bacterias del género Clostridium, que contribuyen a la descomposición de restos vegetales.

• Fermentación Pútrida o Putrefacción

  Descomposición de sustancias proteicas o aminoacídicas formando productos malolientes como el indol, la cadaverina.

Catabolismo de los Lípidos

En los seres vivos las grasas tienen una gran importancia como combustibles orgánicos, dado su alto valor calórico: la degradación de 1g de grasas puede proporcionar hasta 9,5 kcal (frente a 4,2 kcal de los glúcidos y 4,3 kcal de las proteínas). El principal mecanismo de obtención de energía de los lípidos lo constituye la beta oxidación de los ácidos grasos, que proceden de la hidrólisis de los lípidos saponificables. Estas hidrólisis son catalizadas en el citoplasma por lipasas que rompen los enlaces éster y liberan los ácidos grasos de la glicerina.

La glicerina obtenida se transforma en dihidroxiacetona y se integra en la segunda fase de la glucólisis. Los ácidos grasos obtenidos deben entrar en la mitocondria para degradarse mediante un proceso denominado β-oxidación, un proceso cíclico en el que cada vuelta se escinde un fragmento de dos carbonos del extremo del ácido graso y se forma una molécula de acetil-CoA, que se incorpora al ciclo de Krebs y a la cadena respiratoria.

Para entrar en las mitocondrias el ácido graso se une a la coenzima A, dando lugar a Acil-CoA, proceso denominado activación de los ácidos grasos. La activación de los ácidos grasos se realiza en el citoplasma y necesita energía en forma de ATP. Posteriormente, el acil-CoA (de n carbonos) entra en la mitocondria (gracias a un transportador denominado carnitina) y sufre varias reacciones de oxidación e hidratación hasta que se rompe en dos moléculas, un acil-CoA de dos carbonos menos (n-2) y un acetil-CoA. El ciclo se repite hasta que se degrada por completo el ácido graso.

En cada vuelta del ciclo, además de un acetil-CoA se produce un NADH y un FADH2 que se oxidarán en la cadena de transporte de electrones.

Las moléculas de acetil-CoA resultantes de la β-oxidación de los ácidos grasos pueden incorporarse al ciclo de Krebs.

Catabolismo de las Proteínas

Normalmente las proteínas no tienen función energética, salvo en casos de exceso de aminoácidos o de ayuno prolongado.

El primer paso en la degradación de las proteínas es la liberación de los aminoácidos. Después cada aminoácido se degrada de la siguiente forma:

• Separación de los grupos amino

  1. Transaminación: Las enzimas transaminasas catalizan el paso del grupo amino del aminoácido a un ácido α-cetoglutárico que se transforma en ácido glutámico.
  2. Desaminación oxidativa: El ácido glutámico pierde el grupo amino, que se libera en forma de amoniaco (que se transforma en otras sustancias como la urea), y se transforma de nuevo en ácido α-cetoglutárico.
• El resto del aminoácido (ya sin el grupo amino) se transforma en ácido pirúvico, acetil-CoA o en algún compuesto del ciclo de Krebs y se degrada por completo.

Catabolismo de los Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos se degradan hasta nucleótidos por las nucleasas segregadas por las glándulas del tubo digestivo. Posteriormente los nucleótidos se rompen en pentosas, bases nitrogenadas y ácidos fosfóricos. Las pentosas (glúcidos monosacáridos) se degradan según el catabolismo de los glúcidos. Las bases nitrogenadas se usan para formar nuevos nucleótidos o se degradan hasta formar ácido úrico, urea o amoniaco, productos de desecho eliminados del organismo. Los ácidos fosfóricos se excretan o se usan para la síntesis de ATP y de nuevos nucleótidos.

Anabolismo

El anabolismo es la vía constructiva del metabolismo, es decir, la ruta de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas sencillas. Si las moléculas iniciales son inorgánicas (H2O, CO2, NO3-) se denomina anabolismo autótrofo, mientras que si son orgánicas (glucosa, aminoácidos, nucleótidos) se denomina anabolismo heterótrofo.

Anabolismo Autótrofo

El anabolismo autótrofo se puede realizar mediante la fotosíntesis, gracias a la energía lumínica, o mediante la quimiosíntesis, gracias a la energía desprendida en reacciones de oxidación. La fotosíntesis la realizan las plantas, las algas, las cianobacterias y las bacterias fotosintéticas. La quimiosíntesis solo la pueden realizar algunas bacterias quimioautótrofas.

Fotosíntesis

Tipos de Fotosistemas

Hay dos tipos de fotosistemas en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. Se diferencian principalmente en su localización, en su composición y en su funcionamiento:

• Localización: El fotosistema I (PSI) se localiza en las membranas de los tilacoides no apilados, en contacto con el estroma. El fotosistema II (PSII) se localiza en las membranas del tilacoide que se apilan en los grana, orientados hacia el espacio intratilacoidal.
• Composición: El fotosistema I tiene en el centro de reacción dos moléculas de clorofila a1 denominadas P700, porque su punto de máxima absorción es a una longitud de onda de 700 nm. El fotosistema II tiene en el centro de reacción dos moléculas de clorofila a2, denominadas P680, porque presentan su máxima absorción a una longitud de onda de 680 nm.
• Funcionamiento: El funcionamiento del fotosistema I no se asocia al desprendimiento de oxígeno mientras que el fotosistema II desprende oxígeno.

Tipos de Fotosíntesis

Se distinguen dos tipos de fotosíntesis: la fotosíntesis oxigénica y la fotosíntesis anoxigénica.

• La fotosíntesis oxigénica es propia de las plantas superiores, las algas y las cianobacterias. En ella, el dador de electrones es el agua y, consecuentemente, se desprende oxígeno.
• La fotosíntesis anoxigénica o bacteriana es propia de las bacterias purpúreas y verdes del azufre, en las que el dador de electrones no es el agua, sino, generalmente, sulfuro de hidrógeno, por lo que no se desprende oxígeno, sino azufre.

Ecuación general de la fotosíntesis oxigénica:

6 CO2 + 12 H2O + Energía luminosa → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Fases de la Fotosíntesis

La fotosíntesis comprende dos fases: una fase inicial, denominada fase luminosa o fotoquímica, que ocurre en la membrana tilacoidal, en la cual tienen lugar la captación de energía luminosa; y una fase posterior, denominada fase oscura o biosintética, que ocurre en el estroma de los cloroplastos, en la cual se emplea el ATP y el NADPH + H+ de la etapa anterior para sintetizar moléculas orgánicas. La fase luminosa puede presentarse en dos modalidades: con transporte acíclico de electrones o con transporte cíclico de electrones. En la primera modalidad intervienen los dos fotosistemas y en la segunda, cíclica, solamente el fotosistema I.

• Fase Luminosa Acíclica

  El proceso se inicia con la llegada de fotones al fotosistema II (PSII). Esto provoca la excitación de su pigmento diana (clorofila P680), que pierde tantos electrones como fotones se han absorbido. Para reponer los electrones de la clorofila P680 se produce la hidrólisis de moléculas de agua, lo que se conoce como fotólisis del agua. Los dos electrones liberados por cada molécula de agua pasan al pigmento diana mientras que los dos protones se acumulan en el interior del tilacoide. Se produce oxígeno. El pigmento diana cede sus electrones a la plastoquinona (PQ), que capta dos protones del estroma; la PQ cede sus electrones al complejo citocromo b-f, y pasa los H+ al interior del tilacoide. El complejo citocromo b-f cede sus electrones a la plastocianina (PC). Al incidir fotones en el PS I, la clorofila P700 pierde sus electrones y se los cede a la ferredoxina (fd). La ferredoxina cede los electrones al NADP+ del estroma, que se reduce a NADPH + H+ (Fotorreducción del NADP+). Los electrones que ha perdido la clorofila P700 son repuestos por la PC. La acumulación de protones en el interior del tilacoide crea un gradiente electroquímico; los protones salen al estroma a través de enzimas ATP-sintetasas, que gracias a ello sintetizan ATP a partir de ADP + Pi. Este proceso se denomina fotofosforilación del ADP.

• Fase Luminosa Cíclica

  Interviene únicamente el PSI, creándose un ciclo de electrones que en cada vuelta da lugar a la síntesis de ATP. Como no interviene el PSII no hay fotólisis del agua, por lo que no hay reducción de NADP+ ni se desprende oxígeno. Al incidir los fotones sobre el PSI la clorofila P700 libera los electrones que llegan a la ferredoxina, la cual los cede a un citocromo b y este a la PQ, que capta protones. La PQ posteriormente cede los electrones al Citocromo f y pasa los protones al interior del tilacoide, donde se acumulan. El citocromo f cede los electrones a la PC que los devuelve a la clorofila P700. Los protones, al salir a través de la ATP-sintetasa, provocan la síntesis de ATP.

• Fase Oscura o Biosintética (Ciclo de Calvin)

  En esta fase se utiliza el ATP y NADPH producidos en la fase luminosa para fabricar materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas (CO2, nitratos y nitritos, sulfatos…). El proceso principal es la fijación del CO2 mediante el Ciclo de Calvin.

Factores que Influyen en la Fotosíntesis

En el rendimiento de la fotosíntesis influyen diversos factores:

• Temperatura: Dentro del intervalo de cada especie, la eficacia de la fotosíntesis aumenta con la temperatura, debido a la mayor movilidad de las moléculas, hasta llegar a la temperatura de desnaturalización enzimática, cuando la velocidad, lógicamente, disminuye.
• Concentración de CO2: El rendimiento fotosintético aumenta en relación directa con la [CO2] en el aire hasta un punto en el que se estabiliza.
• Concentración de oxígeno: Cuanto mayor es la concentración de oxígeno en el aire, menor es el rendimiento fotosintético (debido a la fotorrespiración).
• Intensidad luminosa: Cada especie está adaptada a un intervalo de intensidad de luz. Hay especies de penumbra y especies fotófilas. Dentro de cada intervalo, a mayor intensidad luminosa, mayor rendimiento, hasta superar un límite en el que se produce la fotooxidación irreversible de los pigmentos fotosintéticos.
• Escasez de agua: La escasez de agua en suelo y aire disminuye el rendimiento fotosintético, debido a que se cierran los estomas para impedir la desecación, y entonces la entrada de CO2 se ve dificultada.

Quimiosíntesis

La quimiosíntesis consiste en la síntesis de ATP a partir de la energía que se desprende en las reacciones de oxidación de determinadas sustancias inorgánicas. Los organismos que realizan estos procesos se denominan quimioautótrofos o quimiolitotrofos, y todos ellos son bacterias. Estas utilizan compuestos reducidos, como el NH3 o el H2S, sustancias derivadas de la descomposición de la materia orgánica. Tras su oxidación, se transforman en sustancias minerales, NO3- y SO42-, que pueden ser absorbidas de nuevo por las plantas. De esta manera, cierran los ciclos biogeoquímicos, posibilitando la vida en el planeta.

Fases de la quimiosíntesis:

1. Oxidación de moléculas inorgánicas para obtener ATP y NADH.
2. Síntesis de compuestos orgánicos a partir de compuestos inorgánicos, utilizando el ATP y el NADH producidos en la fase anterior.

Anabolismo Heterótrofo

Síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas orgánicas sencillas (precursoras). La energía necesaria se obtiene del ATP.

Hay distintas rutas en el anabolismo heterótrofo: anabolismo de glúcidos, de lípidos, de proteínas y de ácidos nucleicos; todas esas vías están relacionadas entre sí.

Anabolismo de Glúcidos

Agrupa dos fases: síntesis de glucosa y síntesis de polímeros de glucosa (almidón y glucógeno).

• Gluconeogénesis

  Síntesis de glucosa a partir de ácido pirúvico. No es el proceso inverso de la glucólisis, aunque algunas etapas coinciden. En animales se produce principalmente en el hígado y en el riñón.

• Glucogenogénesis

  Síntesis de glucógeno a partir de glucosa-6-fosfato. Se produce en animales, especialmente en el hígado y en los músculos. El activador para la síntesis de glucógeno es el UDP.

• Amilogénesis

  Síntesis de almidón a partir de glucosa. Se realiza en los cloroplastos de las células vegetales. El activador para la síntesis de almidón es el ATP.

Anabolismo de Lípidos

En el anabolismo de los lípidos se distinguen tres procesos:

1. Síntesis de ácidos grasos

   Ocurre en el citosol, a partir de acetil-CoA. Los Acetil-CoA se transforman en malonil-CoA y se unen entre sí formando el ácido graso. Está catalizada por el complejo enzimático ácido graso sintetasa.

2. Síntesis de glicerina

   Se realiza a partir del glicerol-3-fosfato.

3. Síntesis de triacilglicéridos

   Las moléculas de ácidos grasos se unen a la glicerina en el retículo endoplasmático de todas las células, sobre todo en las hepáticas y en las del tejido adiposo.

Anabolismo de Proteínas

Nuestro cuerpo puede sintetizar 10 aminoácidos. Los otros 10 no pueden sintetizarse y deben ser ingeridos con la dieta, son los aminoácidos esenciales.

La síntesis de aminoácidos se realiza a partir del ácido α-cetoglutárico, que se combina con un grupo amino dando lugar al ácido glutámico, precursor de otros aminoácidos.

Anabolismo de Ácidos Nucleicos

• Síntesis de nucleótidos con bases púricas

  Sobre el carbono 1 de la ribosa-5-fosfato se sintetiza la base púrica, dando lugar al AMP y al GMP.

• Síntesis de nucleótidos pirimidínicos

  Primero se forma la base pirimidínica y luego se une a la ribosa-5-fosfato, dando lugar a CMP, UMP y TMP.