Introducción al Metabolismo Celular

El metabolismo celular comprende todas las reacciones químicas que ocurren en las células para mantener la vida. Incluye procesos de degradación (catabolismo) que liberan energía y procesos de síntesis (anabolismo) que requieren energía para construir moléculas complejas.

## Conceptos Fundamentales

### Tipos de Metabolismo

- Catabolismo: Degradación de moléculas complejas

- Liberación de energía

- Producción de ATP

- Ejemplos: Glucólisis, respiración celular

- Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas

- Consumo de energía (ATP)

- Construcción de estructuras

- Ejemplos: Síntesis de proteínas, fotosíntesis

### ATP: La Moneda Energética

#### Estructura del ATP

- Adenina: Base nitrogenada

- Ribosa: Azúcar de 5 carbonos

- Tres grupos fosfato: Enlaces de alta energía

#### Función Energética

- Hidrólisis: ATP → ADP + Pi + Energía (7.3 kcal/mol)

- Regeneración: ADP + Pi + Energía → ATP

- Ciclo ATP/ADP: Constante reciclaje energético

- Almacén temporal: No es reserva a largo plazo

### Coenzimas Transportadoras

#### NAD⁺/NADH

- Función: Transporta electrones e hidrógenos

- Forma oxidada: NAD⁺ (acepta electrones)

- Forma reducida: NADH (dona electrones)

- Papel: Fundamental en respiración celular

#### FAD/FADH₂

- Función: Transporta electrones e hidrógenos

- Capacidad: Acepta 2 electrones + 2 H⁺

- Ubicación: Especialmente en ciclo de Krebs

- Poder reductor: Menor que NADH

#### NADP⁺/NADPH

- Función: Poder reductor para síntesis

- Diferencia: Grupo fosfato adicional

- Uso: Reacciones anabólicas (fotosíntesis)

## Respiración Celular

### Visión General

Ecuación general:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP (36-38 moléculas)

### 1. Glucólisis

#### Características Generales

- Localización: Citoplasma

- Sustrato: Glucosa (6 carbonos)

- Productos: 2 piruvatos (3 carbonos cada uno)

- Condiciones: No requiere oxígeno

- Universalidad: Presente en todas las células

#### Fases de la Glucólisis

##### Fase Preparatoria (Inversión de Energía)

- Pasos 1-5: Activación de glucosa

- Costo: 2 ATP

- Resultado: Formación de gliceraldehído-3-fosfato

- Enzimas clave: Hexoquinasa, fosfofructoquinasa

##### Fase de Cosecha (Producción de Energía)

- Pasos 6-10: Oxidación y fosforilación

- Ganancia: 4 ATP + 2 NADH

- Ganancia neta: 2 ATP + 2 NADH

- Enzimas clave: Piruvato quinasa

#### Regulación de la Glucólisis

- Enzimas regulatorias: Hexoquinasa (inhibida por glucosa-6-fosfato)

- Fosfofructoquinasa (enzima clave, alostérica)

- Piruvato quinasa (inhibida por ATP)

- Activadores: AMP, ADP

- Inhibidores: ATP, citrato

### 2. Oxidación del Piruvato

#### Localización y Proceso

- Lugar: Matriz mitocondrial

- Enzima: Complejo piruvato deshidrogenasa

- Reacción: Piruvato + CoA + NAD⁺ → Acetil-CoA + CO₂ + NADH

- Rendimiento: 2 Acetil-CoA + 2 NADH + 2 CO₂ (por glucosa)

### 3. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

#### Características

- Localización: Matriz mitocondrial

- Naturaleza: Vía cíclica de 8 pasos

- Sustrato de entrada: Acetil-CoA

- Función: Oxidación completa del acetilo

#### Pasos del Ciclo (por vuelta)

- Condensación: Acetil-CoA + Oxalacetato → Citrato

- Isomerización: Citrato → Isocitrato

- Primera oxidación: Isocitrato → α-cetoglutarato + CO₂ + NADH

- Segunda oxidación: α-cetoglutarato → Succinil-CoA + CO₂ + NADH

- Fosforilación: Succinil-CoA → Succinato + GTP

- Tercera oxidación: Succinato → Fumarato + FADH₂

- Hidratación: Fumarato → Malato

- Cuarta oxidación: Malato → Oxalacetato + NADH

#### Rendimiento Energético (por glucosa)

- 2 vueltas del ciclo

- 6 NADH: 18 ATP (cadena respiratoria)

- 2 FADH₂: 4 ATP (cadena respiratoria)

- 2 GTP: 2 ATP (equivalentes)

- Total: 24 ATP

### 4. Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

#### Localización

- Ubicación: Membrana interna mitocondrial

- Estructura: Crestas mitocondriales

- Organización: Complejos proteicos I-IV

#### Complejos de la Cadena

##### Complejo I (NADH deshidrogenasa)

- Sustrato: NADH

- Función: Oxidación de NADH → NAD⁺

- Bombeo: 4 H⁺ al espacio intermembrana

- Electrones: Transferidos a ubiquinona

##### Complejo II (Succinato deshidrogenasa)

- Sustrato: FADH₂ (del ciclo de Krebs)

- Función: Oxidación de succinato

- Bombeo: No bombea protones

- Electrones: Directos a ubiquinona

##### Complejo III (Complejo bc₁)

- Sustrato: Ubiquinol

- Función: Transferencia a citocromo c

- Bombeo: 4 H⁺ al espacio intermembrana

- Mecanismo: Ciclo Q

##### Complejo IV (Citocromo c oxidasa)

- Sustrato: Citocromo c

- Función: Reducción final del O₂

- Bombeo: 2 H⁺ al espacio intermembrana

- Producto: H₂O

#### ATP Sintasa (Complejo V)

- Estructura: Parte F₀ (membrana) + F₁ (matriz)

- Mecanismo: Motor rotatorio

- Fuerza motriz: Gradiente de protones

- Estequiometría: ~3 H⁺ por ATP

#### Teoría Quimiosmótica

- Propuesta: Peter Mitchell (1961)

- Principio: Gradiente electroquímico de H⁺

- Fuerza motriz: Diferencia de pH y potencial

- Acoplamiento: Transporte de electrones → gradiente → ATP

## Fermentación

### Características Generales

- Condiciones: Anaeróbicas (sin oxígeno)

- Ubicación: Citoplasma

- Función: Regenerar NAD⁺ para glucólisis

- Rendimiento: Solo 2 ATP por glucosa

### Tipos de Fermentación

#### Fermentación Láctica

- Reacción: Piruvato + NADH → Lactato + NAD⁺

- Enzima: Lactato deshidrogenasa

- Organismos: Músculos durante ejercicio intenso

- Bacterias lácticas (Lactobacillus)

- Glóbulos rojos

- Aplicaciones: Producción de yogur

- Queso

- Chucrut

- Kimchi

#### Fermentación Alcohólica

- Reacción: Piruvato → Acetaldehído + CO₂ → Etanol

- Enzimas: Piruvato descarboxilasa

- Alcohol deshidrogenasa

- Organismos: Levaduras (Saccharomyces cerevisiae)

- Algunas bacterias

- Aplicaciones: Producción de alcohol

- Panificación (CO₂)

- Cerveza y vino

#### Otras Fermentaciones

- Acética: Etanol → ácido acético (vinagre)

- Butírica: Produce ácido butírico y gases

- Propiónica: Ácido propiónico (queso suizo)

- Mixta: Múltiples productos (enterobacterias)

## Fotosíntesis

### Visión General

Ecuación general:

6CO₂ + 6H₂O + luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

### Fases de la Fotosíntesis

#### 1. Reacciones Lumínicas (Fase Fotoquímica)

##### Localización

- Lugar: Membranas tilacoidales

- Compartimentos: Lumen del tilacoide

- Pigmentos: Clorofilas a y b, carotenoides

##### Fotosistemas

- Fotosistema II (P680): Absorbe luz de 680 nm

- Oxida H₂O → O₂ + H⁺

- Produce ATP

- Fotosistema I (P700): Absorbe luz de 700 nm

- Reduce NADP⁺ → NADPH

- Completa transporte de electrones

##### Transporte de Electrones

- Excitación: Luz → clorofila P680

- Oxidación del agua: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂

- Transporte: e⁻ a través de cadena

- Fotosistema I: Re-excitación por luz

- Reducción final: NADP⁺ + H⁺ → NADPH

##### Fotofosforilación

- Acíclica: Produce ATP + NADPH

- Cíclica: Solo produce ATP

- Mecanismo: Similar a respiración (gradiente H⁺)

#### 2. Reacciones Oscuras (Ciclo de Calvin)

##### Localización y Características

- Lugar: Estroma del cloroplasto

- Dependencia: No requiere luz directa

- Sustrato: CO₂ atmosférico

- Energía: ATP y NADPH de fase lumínica

##### Fases del Ciclo de Calvin

1. Fijación del CO₂ - Enzima: RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa)

- Reacción: CO₂ + RuBP → 2 moléculas de 3-fosfoglicerato

- Importancia: Enzima más abundante del planeta

2. Reducción - Proceso: 3-fosfoglicerato → gliceraldehído-3-fosfato

- Energía: ATP + NADPH

- Producto: Triosas fosfato

3. Regeneración - Función: Regenerar RuBP

- Costo: ATP adicional

- Resultado: Continuidad del ciclo

##### Balance del Ciclo

Para formar 1 glucosa:

- 6 CO₂ fijados

- 18 ATP consumidos

- 12 NADPH consumidos

- 6 H₂O liberadas

### Factores que Afectan la Fotosíntesis

#### Factores Limitantes

- Intensidad lumínica: Punto de compensación y saturación

- Concentración de CO₂: Factor limitante en condiciones normales

- Temperatura: Afecta actividad enzimática

- Disponibilidad de H₂O: Sustrato esencial

#### Adaptaciones Fotosintéticas

##### Plantas C4

- Ejemplos: Maíz, caña de azúcar

- Mecanismo: Concentración de CO₂

- Ventaja: Eficiencia en climas cálidos

- Anatomía: Células del mesófilo y de la vaina

##### Plantas CAM

- Ejemplos: Cactus, piña

- Mecanismo: Separación temporal

- Ventaja: Conservación de agua

- Proceso: Apertura estomática nocturna

## Interrelaciones Metabólicas

### Integración de Vías

#### Glucólisis ↔ Gluconeogénesis

- Regulación recíproca: Evita ciclos fútiles

- Señales: Niveles de glucosa, insulina, glucagón

- Tejidos: Hígado principalmente

#### Metabolismo de Lípidos

- β-oxidación: Degradación de ácidos grasos

- Síntesis de ácidos grasos: A partir de acetil-CoA

- Regulación: Estado nutricional

#### Metabolismo de Proteínas

- Transaminación: Síntesis de aminoácidos

- Desaminación: Entrada en gluconeogénesis

- Ciclo de la urea: Eliminación de NH₃

## Ejemplos de Ejercicios Resueltos

> [Ejercicio 1: Balance energético de la respiración celular] > Enunciado: Calcula el rendimiento energético total de la oxidación completa de una molécula de glucosa, considerando todas las etapas de la respiración celular.

Resolución:

Cálculo:

- NADH → 3 ATP cada uno

- FADH₂ → 2 ATP cada uno

- Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP

Nota: En células eucariotas, el transporte de NADH citosólico puede reducir el rendimiento a ~36 ATP.

> [Ejercicio 2: Comparación entre fotosíntesis y respiración] > Enunciado: Compara los procesos de fotosíntesis y respiración celular en términos de reactivos, productos, localización celular y función.

Resolución:

Relación: Son procesos complementarios - los productos de uno son reactivos del otro.

> [Ejercicio 3: Análisis de fermentación vs respiración] > Enunciado: Una bacteria puede obtener energía de la glucosa tanto por fermentación como por respiración aeróbica. Calcula y compara la eficiencia energética de ambos procesos.

Resolución:

Fermentación:

- Solo glucólisis: Glucosa → 2 piruvato + 2 ATP

- Fermentación: Regenera NAD⁺, no produce ATP adicional

- Rendimiento: 2 ATP por glucosa

- Eficiencia: ~5% de la energía disponible

Respiración aeróbica:

- Glucólisis + ciclo de Krebs + cadena respiratoria

- Oxidación completa de glucosa

- Rendimiento: 38 ATP por glucosa

- Eficiencia: ~38% de la energía disponible

Comparación:

- Respiración es 19 veces más eficiente (38/2)

- Fermentación es más rápida pero menos eficiente

- Fermentación no requiere oxígeno

- Respiración permite mayor crecimiento

Ventaja evolutiva: La respiración aeróbica permitió organismos más grandes y complejos debido a su mayor eficiencia energética.

## Regulación Metabólica

### Niveles de Regulación

#### 1. Regulación Alostérica

- Enzimas clave: Control de vías metabólicas

- Efectores: Activadores e inhibidores

- Retroalimentación: Negativa y positiva

- Ejemplos: Fosfofructoquinasa, piruvato quinasa

#### 2. Modificación Covalente

- Fosforilación: Activación/inactivación

- Quinasas y fosfatasas: Enzimas reguladoras

- Señales: Hormonales y metabólicas

- Velocidad: Respuesta rápida

#### 3. Inducción/Represión Enzimática

- Síntesis de enzimas: Control transcripcional

- Tiempo: Respuesta lenta pero duradera

- Adaptación: A condiciones nutricionales

- Ejemplos: Enzimas gluconeogénicas

### Integración Hormonal

#### Insulina

- Estado: Abundancia de glucosa

- Efectos: Estimula glucólisis, síntesis de glucógeno

- Inhibición: Gluconeogénesis

#### Glucagón

- Estado: Déficit de glucosa

- Efectos: Estimula gluconeogénesis, glucogenólisis

- Inhibición: Glucólisis

#### Adrenalina

- Estado: Respuesta de estrés

- Efectos: Movilización rápida de energía

- Mecanismo: AMP cíclico

## Aplicaciones Biotecnológicas

### Ingeniería Metabólica

- Objetivo: Optimización de rutas metabólicas

- Aplicaciones: Producción de medicamentos, biocombustibles

- Herramientas: Modificación genética

### Biotecnología Industrial

- Fermentaciones: Producción de alcohol, antibióticos

- Enzimas: Procesos industriales

- Microorganismos: Biorremediación

## Conclusiones

El metabolismo celular representa la suma de todas las transformaciones químicas que sustentan la vida. La comprensión de estos procesos es fundamental para entender cómo los organismos obtienen, transforman y utilizan la energía.

La eficiencia de los sistemas metabólicos, especialmente la respiración celular y la fotosíntesis, ha permitido la evolución de organismos complejos y el mantenimiento de los ecosistemas terrestres.

Las aplicaciones modernas de este conocimiento en biotecnología, medicina y industria continúan expandiendo nuestras capacidades para manipular y optimizar los procesos metabólicos para beneficio humano y ambiental.