Organelos Clave en la Célula

Mitocondrias

Las mitocondrias son orgánulos celulares rodeados por dos membranas. La membrana externa es lisa y permeable a moléculas pequeñas, mientras que la membrana interna está muy plegada formando crestas, donde se encuentran las proteínas encargadas de la producción de energía. Entre ambas membranas se ubica el espacio intermembrana, y en el interior se encuentra la matriz mitocondrial, que contiene enzimas, ribosomas y ADN propio. La función principal de las mitocondrias es la producción de ATP a través de la respiración celular. Además, participan en la regulación del metabolismo celular, en la síntesis de algunas proteínas específicas y en procesos como la apoptosis o muerte celular programada.

Cloroplastos

Los cloroplastos son orgánulos exclusivos de las células vegetales y de algunos organismos fotosintéticos. Están rodeados por una doble membrana (externa e interna) y en su interior se encuentra el estroma, una sustancia gelatinosa donde se localiza el ADN cloroplástico. Dentro del estroma se sitúan los tilacoides, estructuras aplanadas que pueden organizarse en pilas llamadas grana. La membrana de los tilacoides contiene clorofila y otros pigmentos que capturan la energía solar. La principal función de los cloroplastos es realizar la fotosíntesis, proceso mediante el cual convierten la energía solar en energía química almacenada en moléculas de glucosa, liberando oxígeno como subproducto. Además, intervienen en la síntesis de aminoácidos, lípidos y en otras actividades metabólicas de la célula.

Metabolismo Celular: Catabolismo y Anabolismo

Definición de Metabolismo

El Metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células para mantener la vida. Estas reacciones permiten transformar la materia y la energía.

Catabolismo

El Catabolismo consiste en reacciones de descomposición, es decir, la oxidación de moléculas orgánicas complejas en moléculas más simples, liberando energía. En estas reacciones intervienen enzimas deshidrogenasas. Ejemplos: Glucólisis, ciclo de Krebs, Fermentaciones (láctica y alcohólica), Cadena transportadora de electrones, β-oxidación de ácidos grasos.

Anabolismo

El Anabolismo es el proceso de síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más sencillas, requiriendo un aporte de energía. Ejemplos: Fotosíntesis, síntesis de lípidos, síntesis de proteínas a partir de aminoácidos y síntesis de ácidos nucleicos a partir de nucleótidos.

Interconexión Catabolismo-Anabolismo

La relación entre catabolismo y anabolismo es que el catabolismo proporciona la energía en forma de ATP y los precursores necesarios para que puedan llevarse a cabo las reacciones anabólicas.

Procesos de Obtención de Energía

Respiración Celular Aeróbica

La Respiración celular aeróbica es un proceso catabólico donde la degradación de nutrientes, tales como la glucosa, hasta CO₂ y H₂O utiliza O₂ como aceptor final de electrones. Se libera una gran cantidad de energía que se almacena principalmente en forma de ATP.

Fermentación

La Fermentación es un proceso anaeróbico en el cual los nutrientes se degradan sin utilizar O₂. El aceptor final de electrones es una molécula orgánica. Produce menos ATP que la respiración aeróbica.

Vías Metabólicas Específicas

• Glucólisis: Ocurre en el citosol de la célula. Una molécula de glucosa se degrada en dos moléculas de ácido pirúvico, produciendo además 2 ATP netos y 2 NADH + H⁺ como poder reductor.

• Descarboxilación oxidativa: Ocurre en la matriz mitocondrial. El ácido pirúvico se transforma en acetil-CoA, liberándose CO₂ y generándose NADH + H⁺ como molécula portadora de electrones.

• Ciclo de Krebs: Ocurre en la matriz mitocondrial. Inicia con la incorporación del acetil-CoA. En cada vuelta del ciclo se producen 2 moléculas de CO₂, 3 moléculas de NADH + H⁺, 1 molécula de FADH₂ y 1 GTP (que equivale energéticamente a un ATP). El ciclo se repite dos veces por cada molécula de glucosa oxidada.

• La cadena transportadora de electrones: Ocurre en la membrana mitocondrial interna. Aquí, los electrones transportados por el NADH + H⁺ y el FADH₂ son transferidos a través de una serie de complejos proteicos hasta el oxígeno, que actúa como aceptor final formando agua (H₂O).

• La fosforilación oxidativa: Ocurre en la membrana mitocondrial interna. Gracias al gradiente de protones generado por la cadena transportadora de electrones, los protones atraviesan la ATP-sintasa y se sintetiza ATP. Este proceso puede producir hasta 34 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa.

• La fermentación alcohólica: Ocurre en el citosol. Partiendo del ácido pirúvico generado en la glucólisis, este se convierte primero en acetaldehído y luego en etanol, liberándose también CO₂ y regenerándose NAD⁺.

• La fermentación láctica: Ocurre en el citosol. Transforma directamente el ácido pirúvico en ácido láctico, asegurando la regeneración de NAD⁺, indispensable para que continúe la glucólisis en ausencia de oxígeno.

• La beta-oxidación de los ácidos grasos: Ocurre en la matriz mitocondrial. En este proceso, los ácidos grasos activados (Acil-CoA) se degradan secuencialmente, liberando acetil-CoA, NADH + H⁺ y FADH₂ en cada vuelta del ciclo. El acetil-CoA generado puede incorporarse al Ciclo de Krebs, mientras que el NADH + H⁺ y el FADH₂ alimentan la cadena de transporte de electrones.

Anabolismo Autótrofo y Heterótrofo

• Anabolismo autótrofo: Consiste en la formación de moléculas orgánicas sencillas a partir de moléculas inorgánicas, como el agua (H₂O), el dióxido de carbono (CO₂) o los nitratos (NO₃⁻). La energía necesaria puede provenir de la luz solar (en la fotosíntesis) o de la oxidación de compuestos inorgánicos (en la quimiosíntesis).

• Anabolismo heterótrofo: Consiste en la síntesis de moléculas orgánicas complejas (como polisacáridos, proteínas o ácidos nucleicos) a partir de moléculas orgánicas simples. Este proceso ocurre tanto en organismos autótrofos como heterótrofos.

Fotosíntesis: Conversión de Energía Lumínica

Proceso General de la Fotosíntesis

La Fotosíntesis es un proceso mediante el cual ciertos organismos, como las plantas, las algas y algunas bacterias, transforman la energía luminosa en energía química, almacenándola en moléculas orgánicas como la glucosa. Este proceso se produce en los cloroplastos, y es posible gracias a los pigmentos fotosintéticos, principalmente la clorofila, que captan la energía de la luz solar. La fotosíntesis consta de dos fases: una fase luminosa, que ocurre en las membranas tilacoidales y donde se produce ATP, NADPH y oxígeno (a partir de la fotólisis del agua), y una fase oscura o fase biosintética, que tiene lugar en el estroma del cloroplasto, donde el CO₂ es fijado y reducido hasta formar moléculas orgánicas, utilizando el ATP y el NADPH obtenidos previamente.

Fase Luminosa

La Fase luminosa ocurre en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos. Durante esta fase, la energía de la luz es captada por los pigmentos de los fotosistemas, iniciando una serie de reacciones que conducen a:

• La formación de ATP (por fotofosforilación).
• La formación de NADPH (a partir de NADP⁺ y electrones).
• La liberación de oxígeno (O₂) como subproducto de la fotólisis del agua, que proporciona electrones al fotosistema II.

Fase Oscura (Ciclo de Calvin)

La Fase oscura ocurre en el estroma del cloroplasto. Consiste en la síntesis de moléculas orgánicas sencillas a partir de la reducción de moléculas inorgánicas, utilizando el NADPH (poder reductor) y el ATP obtenidos en la fase luminosa. Se puede producir en presencia o ausencia de luz. Por medio de la enzima Rubisco, una molécula de CO₂ se une a una molécula de ribulosa 1,5-difosfato. Se forma una molécula inestable que se rompe en 2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico. Cada una de ellas se fosforila primero y se reduce después dando 2 moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, que podría considerarse el producto final. Si se fijan 6 CO₂ a 6 ribulosa 1,5-difosfato, se obtienen 12 gliceraldehído 3-fosfato:

• 2 originan una glucosa.
• 10 regeneran 6 ribulosas 1,5-difosfato.

Componentes y Mecanismos de la Fotosíntesis

Fotosistemas (PSI y PSII)

Un Fotosistema es un complejo de moléculas pigmentarias (principalmente clorofilas y pigmentos accesorios) situado en las membranas tilacoidales. Su función es captar la luz solar y transformarla en energía química, mediante la excitación de electrones. Existen dos tipos de fotosistemas:

• Fotosistema II (PSII o P680): Su centro de reacción tiene dos moléculas de clorofila que absorben luz de longitud de onda de hasta 680 nm. Es el primer fotosistema en actuar.
• Fotosistema I (PSI o P700): Su centro de reacción absorbe luz de longitud de onda de hasta 700 nm. Funciona después del PSII.

Función de los Fotosistemas

El PSII capta la energía luminosa y pierde electrones que son reemplazados por los electrones obtenidos de la fotólisis del agua. Los electrones pasan por una cadena transportadora de electrones hasta el PSI, que los vuelve a excitar para reducir NADP⁺ a NADPH.

Estructuras en Membranas Tilacoidales

En las membranas tilacoidales se encuentran:

• Los fotosistemas I y II.
• La cadena transportadora de electrones.
• Las ATPasas o ATP-sintasas, que permiten la síntesis de ATP.

Coordinación en la Fase Luminosa

Durante la fase luminosa, los fotosistemas trabajan coordinadamente:

• El PSII capta la luz y sus electrones excitados pasan a la cadena transportadora.
• El agua se rompe mediante fotólisis, liberando oxígeno y reponiendo los electrones perdidos en el PSII.
• Los electrones se trasladan al PSI, donde son nuevamente excitados por la luz.
• Finalmente, los electrones reducen al NADP⁺ para formar NADPH.

Importancia de la Fotólisis del Agua

La fotólisis del agua es crucial porque proporciona los electrones iniciales que necesita el PSII.

Mecanismo de la Fotofosforilación

Durante la fotofosforilación, los protones (H⁺) que se han acumulado en el interior del tilacoide gracias a la cadena transportadora de electrones crean un gradiente electroquímico. Estos protones tienden a salir hacia el estroma pasando a través de la ATPasa o ATP-sintasa, una proteína especializada que utiliza la energía del flujo de protones para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi.

Relevancia Biológica de la Fotosíntesis

La fotosíntesis es esencial para la vida porque:

• Produce la materia orgánica que alimenta a todos los organismos heterótrofos.
• Libera oxígeno a la atmósfera, indispensable para la respiración de los seres vivos aeróbicos.
• Regula el nivel de CO₂, ayudando a controlar el efecto invernadero.

Quimiosíntesis: Energía de Compuestos Inorgánicos

La Quimiosíntesis es un proceso de nutrición autótrofa en el cual los organismos obtienen energía para sintetizar materia orgánica a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos (como amoníaco, sulfuros o hidrógeno), en lugar de aprovechar la luz solar como en la fotosíntesis. Este tipo de metabolismo es característico de algunas bacterias, denominadas quimioautótrofas o quimiolitotrófas.