Metabolismo: transformar materia, energía y poder reductor
2.º de BachilleratoRuta de edumaterial
Qué vas a aprender
- Relacionar rutas catabólicas y anabólicas mediante ATP, coenzimas y transferencia de materia.
- Comparar localización, aceptores finales y rendimiento de respiración y fermentación.
- Explicar fotosíntesis y quimiosíntesis como formas de anabolismo autótrofo sin confundir fuente de energía y fuente de carbono.
Antes de empezar
- Reconocer oxidación, reducción y transferencia de electrones.
- Distinguir citosol, matriz mitocondrial y membrana interna.
Las rutas están acopladas
El metabolismo es una red, no una colección de caminos aislados. Las rutas catabólicas oxidan moléculas y transfieren energía a ATP y coenzimas reducidas; las anabólicas usan energía, electrones y precursores para construir componentes celulares.
El ATP no almacena toda la energía de una célula a largo plazo. Funciona como intermediario inmediato, mientras NADH, FADH2 o NADPH transportan electrones entre reacciones con papeles metabólicos distintos.
Enzimas, velocidad y regulación
Una enzima acelera una reacción al ofrecer una ruta con menor energía de activación; no vuelve favorable una transformación termodinámicamente imposible ni cambia el equilibrio final. La velocidad depende de sustrato, enzima, temperatura, pH e inhibidores.
Las rutas se regulan en pasos clave. La inhibición por producto final evita gasto innecesario, y la compartimentación separa condiciones incompatibles o acerca enzimas consecutivas.
Seguir el carbono y los electrones
- Localiza el compartimento donde ocurre cada etapa.
- Identifica qué molécula se oxida y cuál acepta electrones.
- Separa fosforilación a nivel de sustrato de fosforilación oxidativa.
- Comprueba el balance de carbonos y distingue rendimiento bruto de rendimiento neto.
Comparar rendimientos con un contrato explícito
Compara tres glucosas fermentadas con tres glucosas oxidadas completamente si el modelo del problema asigna 2 ATP netos por glucosa a la fermentación y entre 30 y 32 ATP a la respiración aeróbica eucariota.
- Fermentación: 3 × 2 = 6 ATP netos.
- Respiración: 3 × 30 = 90 y 3 × 32 = 96 ATP; el resultado es un intervalo de 90 a 96.
- Cociente: 90/6 = 15 y 96/6 = 16; bajo este contrato, la respiración rinde entre 15 y 16 veces más.
6 ATP frente a 90–96 ATP. Las cifras dependen del organismo, de las lanzaderas y de las hipótesis del recuento; el intervalo no debe sustituirse por un valor universal.
De la glucólisis a la respiración aeróbica
La glucólisis ocurre en el citosol y convierte una glucosa en dos piruvatos, con una ganancia neta pequeña de ATP y formación de NADH. Al oxidarse cada piruvato, uno de sus tres carbonos se libera como CO2 y los otros dos entran como grupo acetilo del acetil-CoA en el ciclo de Krebs de la matriz mitocondrial.
La mayor parte del ATP aeróbico procede de la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa en la membrana interna. El oxígeno actúa como aceptor final de electrones; el gradiente de protones impulsa la ATP sintasa. La beta-oxidación aporta acetil-CoA y coenzimas reducidas desde ácidos grasos.
Respiración aeróbica, anaerobia y fermentación
- Respiración aeróbica
Oxida de forma más completa el combustible, usa una cadena respiratoria y obtiene mucho más ATP por glucosa, con oxígeno como aceptor final en el caso aeróbico.
- Respiración anaerobia
Usa una cadena de transporte electrónico, pero el aceptor final no es oxígeno; en distintos microorganismos pueden intervenir nitrato, sulfato u otros aceptores. Su rendimiento depende de la pareja redox y no es una fermentación.
- Fermentación
Regenera NAD+ al transferir electrones a una molécula orgánica; permite continuar la glucólisis, pero no añade el gran rendimiento de una cadena respiratoria.
Anabolismo autótrofo
En la fotosíntesis oxigénica, las reacciones dependientes de la luz producen ATP y NADPH y liberan oxígeno a partir de agua. El ciclo de Calvin incorpora carbono del dióxido de carbono a moléculas orgánicas; no es una fase que solo ocurra en oscuridad.
La quimiosíntesis obtiene energía de la oxidación de compuestos inorgánicos y también fija carbono. Ser autótrofo describe la fuente principal de carbono, no una única fuente posible de energía.
Anabolismo heterótrofo
Las células heterótrofas construyen polisacáridos, lípidos, proteínas y nucleótidos a partir de precursores orgánicos obtenidos de otros seres vivos o de sus productos. También incorporan nitrógeno, fósforo y otros elementos; no forman toda su biomasa copiando moléculas intactas del alimento.
Para sintetizar aminoácidos, distintos organismos combinan esqueletos carbonados procedentes de glucólisis o del ciclo de Krebs con nitrógeno mediante reacciones como transaminaciones; los aminoácidos esenciales para un animal deben llegar en la dieta. La síntesis de proteínas activa aminoácidos, los une a ARN de transferencia y forma enlaces peptídicos en el ribosoma según la secuencia del ARN mensajero, con gasto de energía.
La síntesis de ácidos grasos parte de unidades derivadas de acetil-CoA: la formación de malonil-CoA y ciclos de condensación, reducción y deshidratación alargan la cadena usando poder reductor, generalmente NADPH. Compartimentos y variantes cambian entre organismos. Estas rutas extraen intermediarios de redes anfibólicas, que deben reponerse y regularse según el estado celular.
Sin oxígeno no significa sin ATP
La fermentación no produce energía porque no utiliza oxígeno.
La glucólisis proporciona una ganancia neta de ATP y la fermentación regenera NAD+ para sostenerla.
El oxígeno no es requisito para la fosforilación a nivel de sustrato de la glucólisis.
Mapa de cierre
- Catabolismo y anabolismo se acoplan mediante energía, electrones y precursores.
- La glucólisis es citosólica; Krebs y fosforilación oxidativa se organizan en la mitocondria eucariota.
- La fermentación sostiene la glucólisis al regenerar coenzimas.
- Fotosíntesis y quimiosíntesis fijan carbono con fuentes de energía diferentes.
Compruébalo ahora
¿Qué parte del proceso representado debe situarse en el citosol antes de que las rutas se separen y qué evidencia del visual impide colocarla dentro de la mitocondria?
Ver solución explicada
Respuesta: La glucólisis debe situarse en el citosol; el hexágono y su división en dos productos aparecen fuera, y solo después uno de los caminos entra en la mitocondria.
La figura separa la etapa común citosólica de los destinos posteriores del piruvato.
En el visual, ¿qué rama permanece fuera de la mitocondria y termina con menos fichas de energía? En ausencia de oxígeno, una célula mantiene la glucólisis pero acumula NADH: indica el nombre de esa rama y la función inmediata que debe cumplir.
Ver solución explicada
Respuesta: Es la fermentación; debe oxidar NADH y regenerar NAD+ para que la glucólisis pueda seguir aceptando electrones.
La rama citosólica con pocas fichas representa la fermentación, frente a la ruta respiratoria mitocondrial de mayor rendimiento. Su función inmediata decisiva es recuperar NAD+, no añadir un gran rendimiento energético.
El visual parte de una molécula orgánica que entra en glucólisis y después compara dos rutas catabólicas. Un microorganismo, en cambio, crece en oscuridad, obtiene energía al oxidar amonio e incorpora carbono marcado procedente de CO2. ¿Qué interpretación encaja con los datos y qué diferencia muestra respecto al punto de partida del visual?
- Es fotoautótrofo porque fija CO2.
- Es quimioautótrofo: usa una oxidación química como fuente de energía y CO2 como fuente de carbono. A diferencia del esquema catabólico, no toma la molécula orgánica inicial como fuente de carbono.
- Es heterótrofo porque vive sin luz.
Ver solución explicada
Respuesta: Es quimioautótrofo: usa una oxidación química como fuente de energía y CO2 como fuente de carbono. A diferencia del esquema catabólico, no toma la molécula orgánica inicial como fuente de carbono.
La figura ayuda a separar el catabolismo de una molécula orgánica de la obtención autótrofa de carbono. La oscuridad descarta la luz como fuente energética; la oxidación de amonio aporta energía química y el carbono marcado procedente de CO2 acredita fijación de carbono inorgánico.
Alineación curricular y fuentes
- Biología · saberes básicos · bloque D. Metabolismo · Real Decreto 243/2022, currículo básico de Bachillerato