Fotosíntesis y Quimiosíntesis: Procesos Metabólicos en Organismos Autótrofos y Heterótrofos

Organismos Autótrofos y Heterótrofos: Obtención de Energía

Organismos Autótrofos

Los organismos autótrofos son aquellos que utilizan una fuente de carbono inorgánica para sintetizar sus propias moléculas orgánicas.

Fotosintéticos

Los organismos fotosintéticos utilizan la energía lumínica para transformar materia inorgánica (H₂O y CO₂) en materia orgánica. En este proceso, la energía lumínica se transforma en energía química.

Fase Lumínica

En la fase lumínica, dos fotones inciden sobre uno de los pigmentos del fotosistema II, provocando la excitación y liberación de dos electrones (2e^-). Estos electrones son captados por la plastoquinona, que los transfiere a un índice de oxidación menor, el citocromo b, y este al citocromo f. Finalmente, los electrones son transferidos a la plastocianina. Los pigmentos del fotosistema quedan oxidados, pero el agua les aporta los dos electrones (2e^-) que les faltaban, evitando que el pigmento quede ionizado. Simultáneamente, dos fotones inciden sobre el fotosistema I, liberando dos electrones (2e^-) que son captados por la ferredoxina y, posteriormente, por la flavín-adenosín-dinucleótido (reductasa). La plastocianina cede los dos electrones (2e^-) al fotosistema I para evitar su ionización. La fotólisis del agua genera un átomo de oxígeno, liberando dos protones (2H⁺) y dos electrones (2e^-).

Fase Oscura o Ciclo de Calvin

La fase oscura, también conocida como ciclo de Calvin, comienza cuando la ribulosa-1,5-difosfato se une a una molécula de CO₂ (la materia inorgánica se convierte en orgánica). Este proceso ocurre en el estroma. Al entrar el CO₂, se producen dos moléculas inestables que se convierten en dos moléculas de 3-fosfoglicérico tras la incorporación de una molécula de H₂O. Se utilizan dos ATP para fosforilar el 3-fosfoglicérico, añadiendo un grupo fosfato en el carbono 1. Con la ayuda de la enzima isomerasa, se convierten en cetonas y entran en la ruta de las hexosas para formar glucosa. El gliceraldehído pasa a ribulosa-5-fosfato, pasando por una serie de compuestos de 4, 5 y 7 carbonos. El proceso da seis vueltas al ciclo para formar una molécula de glucosa (molécula de 6 carbonos), que posteriormente formará almidón, entre otros compuestos. Este proceso puede ocurrir con o sin luz.

Balance Energético de la Fotosíntesis

Se necesitan 6 moléculas de CO₂ y 18 ATP para formar una molécula de glucosa (C₆H₁₂O₆), ya que cada vuelta del ciclo consume 3 ATP y se requieren 6 vueltas. Se necesitan 12 moléculas de H₂O y 48 fotones para conseguir 6 moléculas de O₂. Se necesitan 12 moléculas de NADP⁺ que formarán 12 NADPH. 24 ADP + Pi formarán 24 ATP, de los cuales sobrarán 6 ATP, ya que solo se necesitan 18 ATP para la síntesis de glucosa. En realidad, se realiza con 96 fotones porque el rendimiento de la fotosíntesis es del 50%.

Organismos Quimiosintéticos

Los organismos quimiosintéticos, generalmente bacterias, obtienen ATP a partir de la oxidación de compuestos orgánicos sencillos. Este proceso se denomina fosforilación oxidativa, donde un compuesto orgánico se oxida mediante una reacción exergónica que libera energía.

Organismos Heterótrofos: Catabolismo

Fermentación

En la fermentación, tanto el dador como el aceptor final de electrones son compuestos orgánicos. A partir de una molécula orgánica, se produce ATP mediante la oxidación de moléculas.

Respiración

En la respiración, el dador de electrones es orgánico y el aceptor es inorgánico. En la respiración aerobia, el último aceptor de electrones es el oxígeno (O₂). En la respiración anaerobia, el último aceptor de electrones es cualquier compuesto inorgánico diferente al oxígeno, como sulfatos, nitratos o CO₂.

Catabolismo de Glúcidos: Respiración Aerobia

La respiración aerobia implica la degradación total de una molécula de glucosa. El último aceptor de electrones es el oxígeno y el dador es la glucosa.

Glucólisis

La glucosa que viaja en la sangre entra a la célula como glucosa-6-fosfato (se transforma de glucosa a glucosa-6-fosfato gracias a la hexoquinasa). Esta reacción es irreversible y ocurre dentro del citoplasma. Una isomerasa convierte la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato, que luego se fosforila en el carbono 1, convirtiéndose en fructosa-1,6-difosfato, con gasto de ATP. La molécula se divide en dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído-3-fosfato gracias a la triosa fosfato isomerasa, generando dos moléculas de gliceraldehído. Estas se convierten en ácido-1,3-difosfoglicérico, formándose 2 NADH. Este ácido pierde un fosfato y da lugar al ácido-3-fosfoglicérico, produciendo 2 ATP. Una mutasa hace que el ácido-3-fosfoglicérico pase a ácido-2-fosfoglicérico y este a ácido-2-fosfoenolpirúvico, liberando agua. A partir de este, se forma ácido pirúvico mediante la liberación de 2 ATP. Este proceso se denomina fosforilación a nivel de sustrato.

Ciclo de Krebs

El ácido pirúvico entra en la matriz mitocondrial y forma acetil-CoA, que se une al ácido oxalacético para formar ácido cítrico, eliminando la coenzima A. Se necesita una molécula de agua. El ácido cítrico pasa a ácido isocítrico y este a ácido-alfa-cetoglutárico, produciendo 1 NADPH y liberando 1 CO₂. Después, con la coenzima A, el ácido cetoglutárico pasa a succinil-CoA, produciendo otro NADH y liberando otro CO₂. El succinil-CoA pasa a ácido succínico, liberando la coenzima A y produciendo GTP (análogo del ATP). El ácido succínico pasa a ácido fumárico, produciendo FADH₂ (análogo del NADH). El ácido fumárico pasa a ácido málico cuando se incorpora una molécula de agua, y el ácido málico pasa a ácido oxalacético cuando se produce 1 NADPH a partir de 1 NAD⁺.

Cadena Respiratoria

La cadena respiratoria ocurre en las crestas mitocondriales y consiste en una serie de moléculas que se oxidan y reducen. Un producto reducido transfiere electrones a la NAD-hidrogenasa, luego a la FAD-deshidrogenasa, a la CoQ-deshidrogenasa, luego a dos citocromos b, a dos citocromos c, al citocromo a y finalmente a los citocromos a₃. Estos últimos transfieren los electrones al último aceptor, que es el oxígeno. Se necesitan dos protones (2H⁺) y dos átomos de oxígeno para formar agua.