Metabolismo: anabolismo

Podemos clasificar el anabolismo según la naturaleza de la fuente de carbono utilizada:

1. Anabolismo Autótrofo: Consiste en la síntesis de moléculas orgánicas sencillas (como la glucosa) a partir de precursores inorgánicos ($CO_2, H_2O, NO_3^-$). Según la fuente de energía, se divide en:
   • Fotosíntesis: Utiliza la energía de la luz solar.
   • Quimiosíntesis: Utiliza la energía desprendida en reacciones químicas de oxidación.
2. Anabolismo Heterótrofo: Es la síntesis de macromoléculas complejas (almidón, proteínas, triglicéridos) a partir de moléculas orgánicas sencillas (glucosa, aminoácidos, ácidos grasos). Este proceso es común a todos los seres vivos.

El anabolismo requiere siempre energía del ATP y electrones de alta energía del NADPH para reducir los sustratos oxidados y convertirlos en moléculas ricas en energía.

La fotosíntesis es el proceso físico-químico por el cual las plantas, algas y algunas bacterias utilizan la energía de la luz solar para sintetizar compuestos orgánicos. En las células eucariotas, este proceso ocurre en el cloroplasto.

• Estructura del Cloroplasto: Presenta una doble membrana y un espacio interno llamado estroma. Dentro del estroma se encuentran los tilacoides, sacos aplanados cuyas membranas contienen los pigmentos fotosintéticos.
• Pigmentos Fotosintéticos: Son moléculas capaces de absorber la energía lumínica. Las principales son las clorofilas (a y b) y los carotenoides (carotenos y xantofilas).
• Fotosistemas: Son unidades funcionales en la membrana tilacoidal formadas por un complejo antena (que capta la luz) y un centro de reacción (donde se inicia la transferencia de electrones).
  • PSI (P700): Capta luz de longitud de onda de hasta 700 nm.
  • PSII (P680): Capta luz de hasta 680 nm y es responsable de la fotólisis del agua.

Ocurre en la membrana de los tilacoides y depende directamente de la luz. Su objetivo es transformar la energía luminosa en energía química (ATP) y poder reductor (NADPH).

1. Fotólisis del agua: El PSII recupera los electrones perdidos rompiendo una molécula de agua: $H_2O \rightarrow \frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^-$ Aquí se libera el oxígeno a la atmósfera.
2. Transporte electrónico: Los electrones viajan a través de una cadena de transportadores (plastoquinona, complejo citocromo b6f, plastocianina) desde el PSII al PSI, y finalmente a la enzima NADP-reductasa.
3. Fotofosforilación: El flujo de electrones crea un gradiente de protones ($H^+$) hacia el interior del tilacoide. Al salir por la ATP-sintetasa, se genera ATP.
   • Acíclica: Produce ATP y NADPH.
   • Cíclica: Solo produce ATP (involucra solo al PSI) para compensar el déficit energético de la fase oscura.

Este ciclo permite la fijación del carbono inorgánico ($CO_2$) en materia orgánica. Se divide en tres etapas principales:

1. Fijación del $CO_2$: La enzima Rubisco (Ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) cataliza la unión del $CO_2$ a una molécula de 5 carbonos (Ribulosa-1,5-bisfosfato), formando dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3PG).
2. Reducción: El 3PG se reduce a Gliceraldehído-3-fosfato (G3P) utilizando el ATP y el NADPH de la fase lumínica.
3. Regeneración: Parte del G3P se utiliza para regenerar la Ribulosa-1,5-bisfosfato y continuar el ciclo, mientras que el resto se desvía para sintetizar glucosa o almidón.

Para sintetizar una molécula de glucosa ($C_6H_{12}O_6$), se necesitan fijar 6 moléculas de $CO_2$. El gasto total es de 18 ATP y 12 NADPH. La ecuación global de la fotosíntesis oxigénica es: $6CO_2 + 6H_2O + \text{energía lumínica} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$ La eficiencia energética es de aproximadamente un 30%, lo cual es notablemente alto para un sistema biológico de conversión de energía.

El rendimiento fotosintético varía según las condiciones ambientales:

• Intensidad lumínica: A mayor intensidad, mayor rendimiento hasta alcanzar un punto de saturación.
• Temperatura: Cada especie tiene un óptimo. Un exceso de calor desnaturaliza las enzimas.
• Concentración de $CO_2$: Si aumenta, aumenta el rendimiento hasta saturar a la Rubisco.
• Concentración de $O_2$: Si es alta, ocurre la fotorrespiración. La Rubisco, en lugar de fijar $CO_2$, consume $O_2$ y libera $CO_2$, reduciendo drásticamente la eficiencia en plantas C3.

La quimiosíntesis es una forma de anabolismo autótrofo exclusiva de ciertas bacterias (quimiolitótrofos). A diferencia de las plantas, obtienen la energía de la oxidación de moléculas inorgánicas ($NH_3, H_2S, Fe^{2+}$).

Consta de dos fases:

1. Obtención de energía: Se oxida el compuesto inorgánico, produciendo ATP y poder reductor (NADH, no NADPH como en plantas).
2. Fijación del carbono: Se utiliza el ciclo de Calvin para producir materia orgánica, de forma análoga a la fotosíntesis.

Ambos procesos son autótrofos y culminan en la síntesis de glúcidos mediante el ciclo de Calvin. Sin embargo, la fotosíntesis depende de los fotones solares y el agua (como donador de electrones), mientras que la quimiosíntesis depende de la energía de enlaces químicos inorgánicos. La quimiosíntesis es vital para reciclar nutrientes en la biosfera, permitiendo que la vida exista en lugares sin luz, como las fosas oceánicas.

• Gluconeogénesis: Síntesis de glucosa a partir de precursores que no son glúcidos (lactato, aminoácidos o glicerol). Ocurre principalmente en el hígado. Es esencial durante el ayuno para mantener los niveles de glucosa en sangre.
• Glucogenogénesis: Síntesis de glucógeno a partir de glucosa-6-fosfato. Es la forma en que los animales almacenamos energía en el hígado y los músculos.
  • Regulación: La insulina estimula la formación de glucógeno (post-ingesta), mientras que el glucagón y la adrenalina activan su degradación (catabolismo).

La síntesis de ácidos grasos ocurre en el citosol celular a partir de unidades de Acetil-CoA.

1. El Acetil-CoA sale de la mitocondria (en forma de citrato).
2. Se van añadiendo unidades de dos carbonos mediante el complejo multienzimático ácido graso sintasa.
3. Se requiere un gran aporte de NADPH. Posteriormente, estos ácidos grasos se esterifican con glicerina para formar triacilgliceroles (grasas de reserva).

• Proteínas: Las células sintetizan sus aminoácidos no esenciales mediante reacciones de transaminación. La polimerización de aminoácidos ocurre en los ribosomas, siguiendo las instrucciones del ARNm (traducción).
• Ácidos Nucleicos: La síntesis de nucleótidos es un proceso complejo que requiere aminoácidos, $CO_2$ y fosfatos. Una vez formados, se polimerizan mediante las polimerasas durante la replicación del ADN y la transcripción del ARN.

El anabolismo heterótrofo permite el crecimiento, la reparación celular y el almacenamiento de energía, cerrando el ciclo metabólico que mantiene la homeostasis del organismo.