BIOLOGIA GENERAL – Semana 8 E.P Psicología

PROCESOS METABOLICOS

Se consideran organismos autótrofos aquellos que son capaces de sintetizar moléculas orgánicas a partir de la energía de los fotones de la radiación luminosa (fotoautótrofos) o de la energía de enlace contenida en las moléculas inorgánicas (quimiautótrofos). Los organismos heterótrofos son aquellos que obtienen la energía de la rotura de enlaces de las moléculas orgánicas, que constituyen su alimento. El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se produce en el interior de las células y que conduce a la transformación de unas biomoléculas en otras. Todas las reacciones metabólicas están reguladas por enzimas específicas.

EVOLUCION DE LOS PROCESOS METABOLICOS

Cuando comenzó la vida en la Tierra, las células podían vivir y crecer con las pocas sustancias químicas presentes en el medio externo sin realizar complejas rutas metabólicas. Pero cada vez fue más intensa la competencia por los recursos naturales. Aquellos organismos que desarrollaran enzimas capaces de producir sustancias orgánicas más eficientemente tendrían una fuerte ventaja selectiva.

Fermentadores estrictosLa posición central del metabolismo está ocupada por los procesos químicos que implican a los azúcares fosfato. Entre ellos el proceso fundamental es la glucólisis, por el que la glucosa se puede degradar en ausencia de oxígeno. Las rutas metabólicas más antiguas debieron de ser anaeróbicas, ya que no había oxígeno libre en la atmósfera.

Los primeros organismos debieron de ser muy sencillos, unicelulares y procariotas. Basándose en la existencia del «caldo primitivo», se puede postular que eran heterótrofos fermentadores, es decir, obtenían la materia orgánica del medio y mediante procesos de fermentación conseguian la energía y las biomoléculas necesarias para su crecimiento y reproducción. La fermentación, por tanto, posibilitaba la vida de estas células en una atmósfera reductora como la de entonces.

Fotosintéticos anoxigénicosLos organismos fermentadores tenían limitada su existencia a los lugares con materia orgánica, por lo que grandes zonas estaban inhabitadas. Esto fue aprovechado por unos nuevos organismos capaces de utilizar la luz para sintetizar ATP. La fotosíntesis que realizaban no era capaz de romper la molécula de agua y utilizarla como dadora de electrones y, por tanto, no desprendían oxígeno. La molécula dadora de electrones era el H2S. El ATP y el poder reductor obtenido permitieron reducir por primera vez materia inorgánica (CO2, NO3

- , etc.) para sintetizar materia orgánica. Las bacterias verdes y rojas del azufre, que utilizan el H2S como dador de electrones, son los dos grupos de estos organismos primitivos que han subsistido hasta la actualidad (ver t36).

Quimioheterótrofos de respiración anaeróbicaLa existencia de depósitos sulfuros de hace unos tres mil millones de años, atribuible al metabolismo bacteriano, ha hecho pensar que algunos grupos de bacterias fotosintetizadoras volvieron al sedimento. De esta forma, los pigmentos fotosintéticos, inútiles en la oscuridad, evolucionaron para dar lugar a compuestos que utilizaban el ion sulfato como aceptor final de una primitiva cadena transportadora de electrones, transformándolos en un compuesto reducido H2S. Este proceso permitía oxidar la materia orgánica y obtener enorme cantidad de energía: la denominada respiración anaeróbica.

Fotoautótrofos oxigénicosHace unos 2.500 millones de años aparecieron las cianobacterias, que gracias a la incorporación del fotosistema II, acoplado al fotosistema I, permitió realizar la fotólisis del agua y obtener el hidrógeno necesario para reducir CO2 a materia orgánica. Este proceso posibilitó la liberación de grandes cantidades de oxígeno (ver t36).

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BIOLOGIA GENERAL – Semana 8 E.P PsicologíaQuimioheterótrofos de respiración aeróbicaLa atmósfera con oxígeno transformó la vida de muchos organismos. El oxígeno capta electrones formando radicales libres que destruyen moléculas orgánicas y que, por tanto, son tóxicos para los organismos. Esto provocó que muchos organismos murieran y otros se refugiaron en zonas profundas con ausencia de oxígeno. Sin embargo, otros seres desarrollaron sistemas enzimáticos (como la catalasa y la peroxidasa) capaces de destruir los primeros compuestos formados por el oxígeno.

El gran avance fue el uso del oxígeno como aceptor final de los electrones procedentes de la materia orgánica. La respiración aeróbica perfeccionó la cadena de citocromos primitiva de la respiración anaeróbica. Este cambio supuso una colonización del medio terrestre, ya que se dejaron de utilizar los iones propios de la respiración anaeróbica, presentes en el agua, para poder realizar la respiración aerobia gracias a la utilización del oxígeno atmosférico.

QuimioautótrofosParalelamente aparecieron los organismos quimioautótrofos o qumiolitótrofos, capaces de obtener energía mediante la oxidación de materia inorgánica. Estos organismos sólo necesitan, para vivir, aire, agua, sales minerales y compuestos inorgánicos reducidos. Como en el caso de las cianobacterias, captan CO2 mediante el ciclo de Calvin y no realizan el ciclo de Krebs. Presentan el máximo avance metabólico en los procariotas y son fundamentales, ya que cierran los ciclos biogeoquímicos del carbono, del azufre y del nitrógeno.

Eucariotas fotoautótrofos y quimioheterótrofosHace 1.500 millones de años aparecieron las primeras células eucariotas, que eran similares a ciertas algas unicelulares actuales. La célula eucariota surgió a partir de una gran célula procariota. Lo más probable es que muchas células procariotas vivieran en simbiosis con otras células procariotas, de donde surgió la célula quimioheterótrofa animal. Estas bacterias simbiontes dieron lugar a los distintos orgánulos celulares. Así, las mitocondrias debieron de ser bacterias aeróbicas y los cloroplastos se originaron a partir de cianobacterias. La célula huésped asumió la función nuclear y aumentó su superficie membranosa originando una red endomembranosa. La aparición de los cloroplastos, a partir de las cianobacterias, produjo un único organismo con dos metabolismos en parte complementarios. Con la pluricelularidad este organismo perdió la capacidad de ingerir materia orgánica, se especializó sólo en la fotosíntesis, apareciendo la célula eucariota fotoautótrofa de los vegetales.

EL CATABOLISMOEs la fase de degradación de las biomoléculas, cuya finalidad última es la obtención de energía.

Las moléculas orgánicas serán transformadas en otras más sencillas que intervendrán en reacciones químicas hasta formar los llamados productos finales de las vías catabólicas: los metabolitos de excreción (CO2, NH3 y H2O). La energía liberada en las reacciones catabólicas es almacenada en los enlaces ricos en energía del ATP, y posteriormente podrá ser utililzada en las reacciones endergónicas del anabolismo. El anabolismo y el catabolismo son, por tanto, vías conectadas. Las vías catabólicas son semejantes en los organismos autótrofos y en los heterótrofos.

Según la naturaleza de la sustancia que se reduce, se distinguen dos tipos de catabolismo: La fermentación, la molécula que se reduce es siempre orgánica. La respiración, en la que se reduce un compuesto inorgánico.

Será respiración aeróbica si este compuesto es el oxígeno, y anaeróbica si la sustancia es distinta del oxígeno.

CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOSEl glucógeno en los animales y el almidón en las plantas constituyen las reservas de glucosa. La degradación total de la glucosa, hasta el aprovechamiento completo de toda su energía, comprende dos fases: la glucólisis y la respiración.

Glucólisis:

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BIOLOGIA GENERAL – Semana 8 E.P PsicologíaEs un proceso que tiene lugar en el citoplasma en ausencia de oxígeno, y comprende varias reacciones químicas. El rendimiento energético final de la glucólisis será: dos moléculas de ATP consumidas por cuatro sintetizadas; es decir, se obtiene un total de dos moléculas de ATP. Se forman además, dos NADH (poder reductor).

La respiración:Para que el pirúvico que proviene de la glucólisis prosiga su degradación, ha de entrar en la mitocondria, donde se produce la respiración. Se distinguen dos etapas:o El ciclo de Krebs: es un ciclo de ocho reacciones químicas, cuyo balance

energético es la producción de dos moléculas de GTP, con enlaces ricos en energía. Además, se obtienen moléculas con poder reductor, como son el NADH y el FADH2.

o La cadena transportadora de electrones: el NADH y el FADH2, obtenidos en el ciclo de Krebs, van a entrar en una cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria, donde pasan los electrones- de una molécula reducida a otra oxidada, hasta el aceptor final que será el oxígeno molecular, que al reducirse formará agua. La energía obtenida en este proceso, denominado fosforilación oxidativa, es invertida en la síntesis de ATP y se explica por la hipótesis quimiosmótica de Mitchell. Por cada NADH que entre en la cadena se obtendrán tres ATP, y por cada FADH2 dos ATP.

CATABOLISMO DE LOS LÍPIDOSEl principal mecanismo de obtención de energía de los lípidos (sustancias con muy alto valor calórico) lo constituye la oxidación de los ácidos grasos, que se obtienen de los triglicéridos mediante hidrólisis por lipasas específicas. Los ácidos grasos se unirán a una molécula de coenzima A (CoA) en el citoplasma, quedando activados como acil-CoA. De esta forma pasan a la mitocondria, donde sufren el proceso denominado -oxidacion. Éstos siempre podrán entrar en el ciclo de Krebs, por lo que cuanto más largo sea el ácido graso mayor cantidad de energía se obtendra en su oxidación. La glicerina también podrá degradarse si se transforma en dihidroxiacetona, entrando en la glucólisis.

LAS FERMENTACIONESLa fermentación se produce en microorganismos (bacterias y ciertas levaduras). Es un proceso catabólico en el que el aceptor final de electrones es una molécula orgánica y donde no interviene la cadena respiratoria. Esto hace que sea un proceso anaeróbico, ya que no puede utilizar el oxígeno del aire como aceptor final. La rentabilidad energética es muy reducida, si se compara con un proceso aeróbico.

Según la naturaleza del producto final se distinguen varios tipos de fermentaciones: Fermentación alcohólica: ciertas levaduras del género Saccharomyces pueden

transformar el ácido pirúvico en etanol y dióxido de carbono. Fermentación láctica: ocurre en ciertos microorganismos y en células musculares

animales en ausencia de oxígeno, donde el ácido pirúvico se transforma en láctico.

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BIOLOGIA GENERAL – Semana 8 E.P Psicología Fermentación butírica: la realizan bacterias anaeróbicas. Es importante porque

contribuye a la descomposición de los restos vegetales del suelo. Fermentación pútrida o putrefacción: degradación de sustratos de naturaleza proteica,

que da lugar a productos finales orgánicos malolientes.

ANABOLISMO AUTOTROFOEl anabolismo es la vía constructiva del metabolismo, es decir, la ruta de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas sencillas. El anabolismo autótrofo se puede realizar mediante fotosíntesis o quimiosíntesis. La fotosíntesis la pueden llevar a cabo las plantas, las algas, las cianobacterias y las bacterias fotosintéticas, y la quimiosíntesis sólo cierto tipo de bacterias. Los organismos autótrofos no dependen de otros para vivir y, además, posibilitan la vida a los demás organismos heterótrofos.

Concepto de fotosíntesis: La fotosíntesis es la conversión de energía luminosa en energía química estable. Esta energía química primero queda almacenada en la molécula de ATP que posteriormente la utilizará para sintetizar otras moléculas orgánicas más estables.

El proceso se inicia cuando un fotón es absorbido por un electrón de una molécula especial (pigmento fotosintético), quedando el electrón excitado con la energía del fotón. El electrón excitado irá pasando por una serie de moléculas oxidadas aceptoras, que irán reduciéndose y convirtiéndose en dadoras y transfiriendo los electrones por una cadena transportadora de electrones. La energía liberada es aprovechada por la enzima ATP-sintetasa para formar ATP, y queda almacenada en sus enlaces éster-fosfóricos.

Los fotosistemas son complejos proteicos asociados a los pigmentos fotosintéticos. Se distinguen: la antena, constituida predominantemente por pigmentos fotosintéticos que sólo pueden captar energía luminosa y transmitirla a otros pigmentos, y el centro de reacción, en el que se encuentran los pigmentos diana, que reciben la energía captada por los pigmentos antena y la ceden al primer aceptor de electrones, iniciando por tanto la cadena de reacciones químicas.

La fotosíntesis tiene dos fases: Fase luminosa cíclica: La finalidad de esta fase es obtener ATP, necesario para realizar

la fase oscura, ya que no es suficiente el obtenido en la fase acíclica. Fase oscura o biosintética: se utiliza la energía (ATP) y el poder reductor (NADPH)

obtenidos en la fase luminosa, para sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica.

QuimiosíntesisLos organismos que realizan el proceso de quimiosíntesis generan materia orgánica a partir de la inorgánica, mucha de ella procedente de la descomposición de la materia orgánica. Por tanto, cierran los ciclos biogeoquímicos y posibilitan la vida en el planeta.

ANABOLISMO HETEROTROFO:Es el proceso metabólico de formación de moléculas complejas a partir de moléculas sencillas o precursores. Los precursores pueden proceder del catabolismo de las sustancias de reserva (en células heterótrofas y autótrofas), de la digestión de los alimentos orgánicos (células heterótrofas), y de la fotosíntesis o de la quimiosíntesis (células autótrofas). Primero se distingue una fase de biosíntesis de monómeros y posteriormente una fase de biosíntesis de polímeros a partir de estos monómeros. A diferencia del catabolismo, que es un proceso de oxidación, el anabolismo es un proceso de reducción.

ANABOLISMO DE LOS GLÚCIDOSEn muchas ocasiones las vías anabólicas heterótrofas son similares a las vías catabólicas en sentido inverso, debido a que las enzimas pueden catalizar la reacción en los dos sentidos. Hay casos en que la enzima sólo es capaz de catalizar la reacción en un sentido, y se precisa una o más nuevas enzimas para realizar el paso inverso.

Obtención de glucosa:

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BIOLOGIA GENERAL – Semana 8 E.P PsicologíaEn las células animales la glucosa se puede obtener de la dieta mediante la digestión. En las células autótrofas se puede obtener a partir de un proceso que se origina en el ciclo de Calvin. Sin embargo, en ambas células se puede obtener glucosa a partir de ciertas moléculas no glucídicas, resultantes del catabolismo, mediante un proceso denominado gluconeogénesis.

En las células animales, la gluconeogénesis se inicia a partir de sustancias como el ácido pirúvico o los aminoácidos, y en las células vegetales y microorganismos, también se puede obtener de los ácidos grasos (gracias al ciclo del oxalacetato que se realiza en los glioxisomas). Va a seguir un proceso semejante a la glucólisis, pero inverso: coinciden seis pasos que son reversibles, y son distintos tres pasos irreversibles.

Obtención de polímeros de glucosas:Los polímeros más importantes son los de glucosa, unidos mediante enlace . En las células animales se sintetiza el glucógeno a partir de la glucosa, mediante el proceso denominado glucogenogénesis. El proceso se inicia a partir de laglucosa-6-P, que es fosforilada al entrar en la célula y se transforma en glucosa-1-P. Ahora tendrá suficiente energía para unirse al extremo de una cadena de glucógeno, mediante el enlace O-glucosídico (14). Posteriormente la enzima ramificante corta pequenos fragmentos de glucosas de la cadena y los inserta en otros lugares mediante enlaces (16).

En las células vegetales se forma el almidón en los plastos mediante la amilogénesis, cuya única diferencia con la síntesis de glucógeno es que la molécula activadora es el ATP.

ANABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOSLos nucleótidos se forman a partir de los productos de su hidrólisis: pentosas, ácido fosfórico y bases nitrogenadas. Síntesis de nucleótidos con bases púricas: se inicia con una 5-fosfato-ribosa, sobre

cuyo carbono I se va construyendo el doble anillo púrico mediante una compleja secuencia enzimática en las que interviene la glutamina, el ácido aspártico y la glicina.

Síntesis de nucleótidos con bases pirimidínica: primero se forma el anillo pirimidínico a partir del ácido aspártico y posteriormente se une a una fosforribosa.

ANABOLISMO DE LOS LÍPIDOSLos lípidos más importantes con función de reserva son los triacilglicéridos. Su biosíntesis requiere primero la obtención por separado de sus dos componentes: los ácidos grasos y la glicerina.

Obtención de los ácidos grasosLa principal fuente de los ácidos grasos en los animales es la grasa de los alimentos. La segunda fuente es la biosíntesis de los ácidos grasos, la cual se produce en el citosol.

Obtención de la glicerinaSe obtiene, tanto de la glicerina que se produce por hidrólisis de las grasas, como a partir de la dihidroxiacetona-3P que se forma en la glucólisis. Después se transforma en glicerol-3P, que es la forma activada para unirse a los ácidos grasos.

Formación de triacilglicéridosLas moléculas de ácido graso se van uniendo al glicerol-3P mediante un enlace tipo éster, formando primero un monoacilglicérido, después un diacilglicérido y, por último, un triacilglicérido, liberando el grupo fosfato. Esto tiene lugar en las células hepáticas y en las células del tejido adiposo.

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