Fundamentos del Metabolismo Celular, Estructura del ADN y Fotosíntesis

Metabolismo Celular

Catabolismo y Anabolismo

• Catabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas que degradan moléculas complejas transformándolas en otras más simples, y liberan energía en el proceso.
• Anabolismo: Conjunto de reacciones metabólicas que sintetizan moléculas complejas a partir de moléculas sencillas utilizando energía en el proceso.

Rutas Catabólicas Principales y Localización

Glucólisis

Ruta metabólica en la que una molécula de glucosa sufre una oxidación parcial en el citosol, convirtiéndose en dos moléculas de piruvato. Además, se obtienen dos moléculas de ATP y permite reducir dos moléculas de NAD+.

Fermentación

Proceso catabólico de oxidación parcial de un compuesto orgánico en el que no se utiliza oxígeno y se genera una molécula orgánica como producto final. Ocurre en el citosol.

Procesos Mitocondriales

• Oxidación del ácido pirúvico, β-oxidación, Ciclo de Krebs: Ocurren en la matriz mitocondrial.
• Cadena respiratoria, Fosforilación oxidativa: Tienen lugar en la membrana interna mitocondrial.

Ciclo de Krebs

Proceso catabólico cíclico, que tiene lugar en la matriz mitocondrial, en el que se oxida el grupo acetilo procedente del acetil-CoA hasta CO₂, y en el que se libera energía y poder reductor (NADH y FADH₂).

Cadena Respiratoria

Conjunto de complejos proteicos, localizados en la membrana interna mitocondrial, que conducen los electrones procedentes del NADH y FADH₂ hasta el O₂ (aceptor final), al tiempo que generan un gradiente electroquímico de H⁺ entre la matriz mitocondrial y el espacio intermembranoso.

Fosforilación Oxidativa

Proceso de síntesis de ATP que realiza la enzima ATP-sintasa localizada en la membrana interna de la mitocondria, utilizando para ello la energía del gradiente electroquímico de H⁺ creado por la cadena respiratoria.

Orgánulos Celulares

Lisosomas

Vesículas membranosas de tamaño variable procedentes del aparato de Golgi que contienen enzimas hidrolíticas. Se encargan de digerir materiales del exterior celular (heterofagia) y de la propia célula (autofagia).

Peroxisomas

Vesículas membranosas que contienen enzimas (oxidasas y catalasas) que producen o utilizan H₂O₂ (peróxido de hidrógeno). Su función es la detoxificación celular, actúan en la síntesis de algunos fosfolípidos y en la β-oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga.

Vacuolas

Orgánulos membranosos, de forma y tamaño variables, que acumulan distintos tipos de sustancias. Funciones principales:

• Almacenar sustancias (agua, iones, pigmentos, productos de desecho).
• Regulación osmótica (especialmente en células vegetales).
• Autofagia.
• Defensa (acumulando sustancias tóxicas).

Ácido Desoxirribonucleico (ADN)

Estructura de la Doble Hélice

• Formada por dos cadenas polinucleotídicas.
• Las cadenas son complementarias (A se aparea con T mediante dos puentes de hidrógeno, C se aparea con G mediante tres puentes de hidrógeno).
• Las dos cadenas se disponen de forma antiparalela (el extremo 5' de cada una está enfrentado al extremo 3' de la otra).
• Las dos cadenas están enrolladas formando una hélice. Este enrollamiento es generalmente dextrógiro (hacia la derecha) y plectonémico (las cadenas no se pueden separar sin desenrollarlas).
• El esqueleto de azúcar-fosfato de cada cadena queda en el exterior de la doble hélice y las bases nitrogenadas en el interior, dispuestas perpendicularmente al eje de la hélice.

Empaquetamiento del ADN: La Cromatina

En células eucariotas, el ADN se empaqueta asociado a diversas proteínas, principalmente histonas, formando la cromatina. Niveles de empaquetamiento:

1. Fibra nucleosómica (o collar de perlas - 10 nm): La doble hélice de ADN se enrolla alrededor de un octámero de histonas (núcleo de histonas: 2x H2A, H2B, H3, H4), formando nucleosomas. Cada nucleosoma consta del núcleo proteico y aproximadamente 1.75 vueltas de ADN (unos 146 pares de bases). El ADN espaciador (linker DNA) conecta nucleosomas adyacentes.
2. Fibra cromatínica (o solenoide - 30 nm): La fibra nucleosómica se enrolla sobre sí misma adoptando una estructura de solenoide (6 nucleosomas por vuelta), en la cual participa la histona H1, que se une al ADN espaciador y estabiliza la estructura.
3. Bucles radiales (300 nm): La fibra de 30 nm se organiza formando bucles o lazos que se anclan a un andamio proteico (matriz nuclear).
4. Rosetones de bucles (700 nm): Los bucles se agrupan formando rosetones.
5. Espiral de rosetones (1400 nm): Los rosetones vuelven a enrollarse en hélice, alcanzando el máximo grado de compactación que forma la cromátida de un cromosoma metafásico.

Este empaquetamiento es dinámico y regula el acceso a la información genética.

Fotosíntesis

Fotosistemas

Complejos macromoleculares presentes en la membrana tilacoidal de los cloroplastos, donde se agrupan los pigmentos fotosintéticos (clorofilas, carotenoides) encargados de captar la energía luminosa. Constan de dos partes principales:

• Complejo antena (o colector de luz): Formado por cientos de moléculas de pigmento que absorben la luz y transfieren la energía de excitación hacia el centro de reacción.
• Centro de reacción: Contiene un par especial de moléculas de clorofila a y aceptores/donadores de electrones, donde la energía lumínica se transforma en energía química al provocar la pérdida de un electrón.

Fase Luminosa (o Fase Dependiente de la Luz)

Conjunto de reacciones fotoquímicas que tienen lugar en la membrana tilacoidal. En ellas se produce la captación de energía luminosa y su transformación en energía química (ATP) y poder reductor (NADPH). Implica la liberación de electrones (procedentes de la fotólisis del agua) que se emplean para reducir un aceptor final (NADP⁺) y la generación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoidal, cuya energía se utiliza para producir ATP en un proceso llamado fotofosforilación.

Transporte Celular

Transporte Pasivo

Movimiento de sustancias a través de la membrana celular a favor de su gradiente de concentración o electroquímico, por lo que no requiere consumo de energía metabólica (ATP). Puede ser:

• Difusión simple: Paso directo a través de la bicapa lipídica (moléculas pequeñas y apolares como O₂, CO₂, N₂).
• Difusión facilitada: Requiere la ayuda de proteínas de membrana:
  • Proteínas canal: Forman poros acuosos (ej. acuaporinas para agua, canales iónicos).
  • Proteínas transportadoras (permeasa): Cambian su conformación para transportar la molécula (ej. transportador de glucosa).