Tipos de metabolismo celular: nutrición, respiración, fermentación y fotosíntesis

Tipos de nutrición celular

Fototrofos: obtienen energía de la luz.

Quimiotrofos: obtienen energía de la oxidación de sustancias.

Quimiorganotrofos: obtienen energía de la oxidación de compuestos orgánicos mediante respiración celular o fermentación.

Autótrofos: utilizan como fuente de carbono el CO2.

Heterótrofos: utilizan como fuente de carbono compuestos orgánicos.

NAD+ participa en procesos catabólicos, mientras que NADP+ participa en procesos anabólicos. Ambos se reducen al deshidrogenar (ganar H- o 2H).

FMN y FAD son coenzimas que se deshidrogenan captando 2H.

Respiración aerobia: utiliza O2 como aceptor final de electrones.

Respiración anaerobia: utiliza sustancias distintas del O2 como aceptor final de electrones.

Metabolismo de los glúcidos

Glucólisis

Se produce en el hialoplasma:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Descarboxilación oxidativa del piruvato

El piruvato se transforma en acetil-CoA:

Piruvato + NAD+ + HS-CoA → acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

Ciclo de Krebs

El acetil-CoA se degrada completamente a CO2 para obtener NADH, FADH2 y GTP:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA

Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

Ocurre en la membrana interna mitocondrial. Los transportadores transfieren electrones desde el NADH y el FADH2 hasta el O2; la energía liberada se utiliza para sintetizar ATP.

• Complejo I: NADH deshidrogenasa, oxida el NADH.
• Complejo II: flavoproteína que oxida el FADH2.
• Coenzima Q: transporta electrones de los complejos I y II al complejo III.
• Complejo III: bombea H+ al espacio intermembrana; contiene citocromos b y c1 con Fe.
• Citocromo c: transporta electrones entre los complejos III y IV.
• Complejo IV: citocromos a y a3, reduce el O2 para formar H2O.

La ATP sintasa permite el paso de H+ a favor del gradiente electroquímico; este flujo provoca que el ADP se una al fosfato, formando ATP.

Balance global: Glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi → 6 CO2 + 38 ATP + 44 H2O

Metabolismo de los lípidos

Los lípidos se degradan mediante lipólisis de los glicéridos:

• La glicerina se transforma en piruvato y entra en el ciclo de Krebs.
• Los ácidos grasos se activan en el citoplasma, se transportan al interior de la mitocondria y sufren la β-oxidación, que los divide en unidades de acetil-CoA, liberando poder reductor (NADH y FADH2) para la cadena respiratoria.

Metabolismo de los aminoácidos

La desaminación elimina el grupo amino:

Aminoácido + NAD+ + H2O → cetoácido + NADH + NH3

Según el producto de eliminación del amoníaco, los organismos son:

• Amoniotélicos: eliminan amoníaco.
• Ureotélicos: eliminan urea.
• Uricotélicos: eliminan ácido úrico.

Estos compuestos se eliminan principalmente por la orina. El esqueleto carbonado se utiliza como fuente de energía: los cetoácidos se oxidan en el ciclo de Krebs hasta CO2 y H2O.

Respiración del nitrato

El último aceptor de electrones de la cadena respiratoria es el nitrato o el nitrito, que origina N2. Es una respiración facultativa: en presencia de O2 utiliza este como aceptor de electrones y, en ausencia, utiliza nitrato o nitrito. Empobrece el suelo en nitratos.

Fermentación

Degradación de moléculas orgánicas en ausencia de O2, con obtención neta de ATP.

Fermentación alcohólica

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Fermentación láctica

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 lactato + 2 ATP + 2 H2O

Fotosíntesis

Proceso que genera ATP y poder reductor a partir de energía solar, para biosintetizar materia celular a partir de compuestos inorgánicos empobrecidos en energía.

Fase luminosa

Captación de la energía lumínica mediante pigmentos fotosintéticos organizados en fotosistemas. La energía se transfiere hasta la clorofila del centro de reacción, donde se produce la actividad fotoquímica: el centro cede un electrón al aceptor y recibe otro de un donador.

• Fotosistema II (P680): cede electrones a un aceptor proteico y, al perderlos, provoca la fotólisis del agua mediante el complejo de manganeso.
• Fotosistema I (P700): cede electrones a una proteína ferrosulfurada y recibe los electrones perdidos a través de la plastocianina.

Los fotosistemas están unidos por una cadena de transporte de electrones (plastoquinona, citocromo b6f, plastocianina). Finalmente, la ferredoxina reduce el NADP+ a NADPH.

2 NADP+ + 2 H2O + 8 hν → 2 NADPH + 2 H+ + O2

Fotofosforilación

Fotofosforilación acíclica: el transporte de electrones entre ambos fotosistemas genera un gradiente electroquímico de protones que permite sintetizar ATP. Produce NADPH, ATP y O2.

2 NADP+ + 2 H2O + 3 ADP + 3 Pi + 8 hν → 2 NADPH + 2 H+ + O2 + 3 ATP + 3 H2O

Fotofosforilación cíclica: solo interviene el fotosistema I, sin fotólisis del agua. Se genera ATP pero no se forma NADPH ni se desprende O2.

Fase oscura (ciclo de Calvin)

Consiste en la fijación del CO2. El CO2 reacciona con la ribulosa-1,5-difosfato formando moléculas de 3-fosfoglicerato. Usa el NADPH y el ATP de la fase luminosa. La condensación de 6 CO2 permite formar azúcares, acetil-CoA, ácidos grasos y triglicéridos.

6 Ribulosa-1,5-difosfato + 6 CO2 → 12 3-fosfoglicerato

Las enzimas del ciclo de Calvin solo están activas durante el día, ya que necesitan luz para activarse.

Biosíntesis de aminoácidos

Las plantas asimilan el nitrato en dos fases:

NO3- + NADH + 5 H+ → NH4+ + NAD+ + 3 H2O

Cetoácido + NH3 + NADPH + ATP → aminoácido + NADP+ + ADP + Pi

Fotosíntesis bacteriana

Las bacterias fotosintéticas tienen pigmentos en pliegues de la membrana plasmática, no realizan fotólisis del agua y no desprenden O2. Utilizan como fuente de poder reductor sustancias inorgánicas u orgánicas:

H2S + NADP+ + ADP + Pi → S + NADPH + ATP + H2O

Lactato + ADP + Pi → piruvato + NADPH + H+ + ATP + H2O

Quimiosíntesis

Las bacterias quimiosintéticas obtienen energía a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos del medio, generando un gradiente electroquímico que produce ATP y poder reductor. Invierten el flujo de electrones en la cadena respiratoria, consumiendo ATP. Mediante el ciclo de Calvin forman todos los esqueletos carbonados a partir de CO2.

Bacterias nitrificantes

Oxidan el NH3 a NO3-:

Nitritación: NH3 + 3/2 O2 → NO2- + H2O + H+

Nitratación: NO2- + 1/2 O2 → NO3-

Bacterias del azufre

Oxidan compuestos de azufre como el H2S, y viven en las chimeneas de las dorsales oceánicas, donde se libera H2S rico en metales. Oxidan el H2S: H2S + 2 O2 → SO4 2- + 2 H+