Anabolismo: Procesos metabólicos para la síntesis de moléculas y funciones vitales

Anabolismo: Conjunto de procesos metabólicos que sintetizan las moléculas necesarias para realizar las funciones vitales y crear y reparar el propio organismo.

El anabolismo se basa en la reducción del carbono a moléculas más complejas. Por ello los organismos requieren de:

• Fuentes de carbono
• Electrones
• Energía
• La fotosíntesis: Convierte la energía de la luz en energía química. La energía se almacena y se emplea en sintetizar biomoléculas orgánicas, principalmente hidratos de carbono. Se realiza en los cloroplastos o en las membranas de los procariotas. Consta de dos fases:

Fase luminosa (Lumínica)

Se produce en la membrana de los tilacoides (grana). Emplea la energía de los fotones para elevar la energía de electrones que obtiene del H2O, liberando O2 en el proceso. Los electrones son recogidos por un coenzima transportador, NADP+. El proceso de transporte de electrones hasta el coenzima se emplea en fabricar ATP por un proceso quimiosmótico.

Fase oscura

Se produce en el estroma del cloroplasto (citoplasma procariotas). No necesita de la luz. Usando la energía y los electrones de la fase luminosa reduce CO2 a azúcares, el NO3- a grupos amino y el SO42- a grupos tiol para que la célula pueda sintetizar aminoácidos.

Fase luminosa

Fase fotoquímica. Pigmento: sustancia capaz de obtener energía de la luz, pudiendo emplearla en elevar la energía de electrones. Clorofilas a, b, c y bacterioclorofila. Carotenos, xantofilas, ficocianinas y ficoeritrinas.

Centro de reacción

Es la molécula de pigmento que recibe la energía de la luz que excita sus electrones liberando uno de ellos a moléculas transportadoras de electrones (cadena de transporte). Lo forman las clorofilas.

Complejo antena

Lo forman los pigmentos asociados al centro de reacción. Absorben energía de la luz con lo que distribuyen sus electrones. Para volver a su estado de reposo ceden energía al centro de reacción. Los pigmentos antena pueden ser clorofilas y otros pigmentos como carotenos, xantofilas, ficocianinas y ficoeritrinas. Los pigmentos se localizan en unas estructuras esféricas de las membranas del tilacoide denominadas FOTOSISTEMAS:

FOTOSISTEMA I

Se localiza en las membranas del tilacoide no apilados, y en contacto con el estroma. Absorbe longitudes en torno a 700nm. Absorbe dos fotones que ceden su energía dos electrones que van a una cadena de transporte electrónico hasta llegar a una molécula de ferredoxina que a su vez reduce una molécula de NADP+ que pasa a NADPH. La clorofila recupera sus electrones desde el fotosistema II.

FOTOSISTEMA II

Se localiza en la membrana de los grana. La clorofila absorbe en torno a 680 nm. Absorbe dos fotones que ceden su energía a dos electrones que van a una cadena de transporte electrónico que finaliza en el fotosistema I. El transporte de electrones libera energía que se emplea en bombear H+ al espacio intratilacoidal, a través de un complejo multienzimático denominado complejo b6f. La clorofila recupera sus electrones mediante la rotura del agua (fotólisis del agua): se oxida el agua produciéndose protones que también se liberan al espacio intratilacoidal, y liberando O2. Cuando ambos fotosistemas funcionan acoplados, se libera oxígeno: Fotosíntesis oxigénica. El fotosistema I puede funcionar de forma cíclica cuando hace falta más producción de ATP. No produce oxígeno: Fotosíntesis anoxigénica.

FOTOFOSFORILACIÓN

Mecanismo similar al que se produce en la mitocondria para sintetizar ATP a partir de ADP. Las ATPasas (similares a las de la mitocondria) se localizan en la membrana del tilacoide. Bombea protones al estroma desde el espacio intratilacoidal, empleando la energía de gradiente electroquímico en sintetizar ATP. En caso de necesidades energéticas de la célula, el fotosistema I trabaja de forma cíclica y activa la producción de ATP (Fotofosforilación cíclica). No se produce oxígeno.

Fase oscura

También se denomina Ciclo de Calvin o vía C3. Se produce en el estroma del cloroplasto o en el citoplasma de los procariotas. Emplea la energía y el NADPH obtenidos en la fase luminosa para reducir moléculas de CO2 y obtener azúcares, principalmente glucosa. La primera fase del ciclo consiste en la fijación de una molécula de CO2 a un azúcar de 5 carbonos denominado ribulosa-1,5-bifosfato, que se rompe en dos moléculas de ácido-3-fosfoglicérico de 3C. La enzima que realiza esta reacción es la RUBISCO. Para obtener un mol de Glucosa y regenerar la Ribulosa bifosfato hay que fijar 6 moles de CO2, por lo que el ciclo debe repetirse 6 veces.

Fotorespiración: Se produce porque la Rubisco presenta afinidad por el oxígeno que compite como sustrato con el CO2 (inhibidor competitivo). En presencia de CO2, Ciclo de Calvin. En presencia de O2, FOTORRESPIRACIÓN. La Rubisco oxida la ribulosa bifosfato a 2-fosfoglicolato y 3fosfoglicerato (3PGA). El 3 PGA retorna parcialmente al ciclo de Calvin. El 2-fosfoglicolato se transfiere a la mitocondria y a los peroxisomas a través de un ciclo denominado Ciclo glicolato donde por cada dos moléculas de fosfoglucolato se obtiene una de 3PGA que retorna al ciclo de Calvin, desprendiéndose CO2 en el proceso. La fotorrespiración disminuye el rendimiento de la fotosíntesis por lo que los vegetales deben tener mayor concentración de CO2 que de O2. Las plantas han debido evolucionar para resolver esto:

• En lugares donde hay agua, las hojas tienen muchos estomas que facilitan la entrada de CO2 y la salida de O2 (estrategia C3)
• En lugares donde hay pérdida de agua las plantas limitan sus estomas por lo que tienen tejidos que guardan CO2 y algunos mecanismos metabólicos para aumentar su concentración en el tejido fotosintético (estrategia C4)

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSÍNTESIS

• Concentración de CO2
• Concentración de O2
• Humedad ambiental
• Temperatura
• Intensidad luminosa
• Longitud de onda de la luz

OTRAS RUTAS ANABÓLICAS:

Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de fosfoenolpiruvato, que puede provenir de aminoácidos, ácido láctico o algún metabolito del ciclo de Krebs. Una parte sucede en la mitocondria y otra en el citoplasma.

Glucogenogénesis: Síntesis de glucógeno a partir de la glucosa que realizan las células hepáticas y musculares.

Síntesis de lípidos: Se forman a partir de rutas que utilizan como precursor el Acetil CoA. Sucede en el citoplasma o en el estroma del cloroplasto.

Síntesis de aminoácidos y bases nitrogenadas: A partir de diferentes intermediarios del ciclo de Krebs y de la Glucolisis.

La quimiosíntesis: Es el mecanismo que emplean los organismos quimioautótrofos o quimiolitótrofos para obtener sus compuestos orgánicos. Obtienen electrones a partir de compuestos inorgánicos para usar en sus rutas de síntesis de nutrientes o para obtener energía. Es exclusivo de bacterias.

Bacterias del nitrógeno: Unas oxidan el NH3 a Nitritos (bacterias nitrosificantes, p. ej: Nitrosomonas) y otras los nitritos a Nitratos (bacterias nitrificantes, p.ej: Nitrobacter), por lo que son organismos que se complementan. Algunas son capaces de fijar el N2 atmosférico a NH3 (bacterias fijadoras de nitrógeno) que pueden encontrarse simbióticas con las leguminosas (ej. Rhizobium).

Bacterias del azufre: Oxidan azufre mineral o sulfuro para obtener sulfatos que pueden asimilar los vegetales para fabricar aminoácidos (p. ej: Thiobacillus).

Ferrobacterias: Oxidan el hierro de ferroso a férrico. Algunas son también fijadoras de azufre (p. ej: Ferrobacillus, Thiobacillus ferrooxidans).

FASE OSCURA: Fase - ciclo de calvin en 4 fases: en el primer paso, fijación del carbono la ribulosa y fosfato se une con el CO2 para formar fosfoglicerato. Se llama así porque el CO2 que es un gas se atrapa en una molécula como el fosfoglicerato. En la reducción del fosfoglicerato (segundo paso), el fosfoglicerato va a recibir e- para convertirse en fosfogliceraldehido. En el tercer paso (síntesis de biomoléculas), el gliceraldehido formado (parte) se utiliza para producir glucosa y el resto para producir ribulosa monofosfato. En el cuarto paso, regeneración de la ribulosa bifosfato, la ribulosa monofosfato se utiliza para volver a formar ribulosa bifosfato y el ciclo vuelve a comenzar. Se toma en cuenta la producción de glucosa, para producirla tiene que dar 6 vueltas el ciclo de calvin (ribulosa bifosfato) se une con 6CO2 dando lugar a 12 fosfoglicerato que son 12 fosfogliceraldehidos. Se utilizan para formar glucosa y 10 para ribulosa monofosfato. Quedan 6 ribulosa monofosfato y estas hacen la ribulosa bifosfato. En el segundo paso, la reducción de fosfoglicerato para formar el fosfogliceraldehido a partir de fosfoglicerato necesitamos e- dados por el NADPH. Como hay 12 fosfoglicerato tienen que haber 12 NADPH. Entran reducidos y salen oxidados. También participan los ATP que entran como ATP y salen como ADP+Pi. Para pasar en el cuarto paso de RUMP a RUBP necesita ganar un fosfato dado por el ATP que proviene de la fase luminosa. Como son 6 RUMP se necesitan 6 ATP y se convierten en 6 ADP. Sale como ADP+Pi porque el ATP se hidroliza y el fosfato también sale, mientras que el GTP entra como ATP y sale como ADP pero el fósforo no sale porque lo atrapa la ribulosa monofosfato para convertirse en bifosfato. En el primer paso, la enzima se cataliza y ese paso se llama RuBISCO.