Bioquímica Esencial: Enzimas, Fotosíntesis y Rutas Metabólicas Clave

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Una enzima es, excepto las ribozimas que son de naturaleza ribonucleoproteica, una proteína que cataliza específicamente algunas reacciones bioquímicas uniéndose al sustrato o molécula que se va a transformar. Actúa de forma que disminuye la energía de activación de la reacción aumentando su velocidad. No se consumen ni se transforman. En el esquema 1 se representa el mecanismo de acción enzimática de una reacción química:

E+S → ES → E + P

El sitio de unión entre la enzima (A) y el sustrato (B) se denomina centro activo. Está constituido por un sitio de unión, formado por los aminoácidos que establecen contacto directo con el sustrato, y por un sitio catalítico, formado por los aminoácidos implicados directamente en el mecanismo de la reacción. La letra C representa el complejo enzima-sustrato (estructura transitoria) y la letra D representa los productos de la reacción.

En el esquema 2 se representa una inhibición reversible o competitiva donde el inhibidor es una molécula que tiene una conformación espacial similar a la del sustrato, por lo que compite con él por el centro activo de la enzima. Cuando el inhibidor se une de forma transitoria al centro activo impide que se una el sustrato, inhibiendo así la actividad enzimática. Otro tipo de inhibición es la irreversible donde los inhibidores, también llamados venenos, se unen al centro activo de la enzima de forma permanente, bloqueando así la actividad enzimática.

Fotosíntesis: Conversión de Energía Lumínica

Se trata de la fotosíntesis, proceso anabólico que se lleva a cabo en los cloroplastos. Es realizado por organismos autótrofos: plantas, algas y bacterias fotosintéticas.

La fase A es la fase luminosa de la fotosíntesis (dependiente de la luz) que tiene lugar en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos y la fase B es la fase oscura de la fotosíntesis (independiente de la luz) localizada en el estroma de los cloroplastos.

De todos los números, los que corresponden con productos finales son el (2) oxígeno molecular y el (6) carbohidratos. El papel del agua es el de donador de protones y electrones al sufrir fotólisis al inicio de la fase lumínica, es decir, es un producto de partida de la fotosíntesis.

Glucólisis y Ciclo de Krebs: Rutas Metabólicas Centrales

La ruta metabólica es la glucólisis o ruta de la oxidación de la glucosa.

Se realiza en el citosol de la célula y el que continúe por un camino u otro es debido a la disponibilidad de oxígeno, ya que si lo hay el ácido pirúvico se descarboxila hasta acetil-CoA (b) y si no hay oxígeno sufre distintos tipos de fermentaciones (a).

El compuesto 1 es el acetil-CoA y la ruta 2 es el ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

La vía más rentable es la 2, es decir, la del ciclo de Krebs que es el segundo paso de la respiración celular.

Ya que en esta vía se obtiene mucha más energía en forma de ATP gracias a la ATP sintasa de la cadena de transporte electrónico. En el caso de las fermentaciones se obtienen menos cantidad de ATP, el cual es sintetizado por fosforilación a nivel de sustrato.

Todas las vías representadas pertenecen al catabolismo, que es la degradación oxidativa de moléculas orgánicas complejas formando otras más sencillas, produciendo energía y poder reductor.

Fase Luminosa de la Fotosíntesis: Detalles del Proceso

Se trata de la fase luminosa de la fotosíntesis, concretamente se representa la cadena de transporte electrónico y la fotólisis del agua. Se lleva a cabo en la membrana tilacoidal de los cloroplastos. Su función global es ser un proceso anabólico gracias al cual se convierte energía luminosa procedente del sol, en energía química, mediante la síntesis de ATP.

• Número 1: fotón de luz.
• Número 2: fotosistemas | y Il
• Número 3: cadena de transporte de electrones
• Número 4: NADPH

Se denomina fotólisis del agua (rotura enzimática) y se localiza en el interior de los tilacoides, se obtienen protones, electrones y oxígeno molecular, este último es el representado por la letra A.

Glucólisis: Proceso Catabólico Anaeróbico

La glucolisis es un proceso catabólico que consiste en la oxidación de una molécula de glucosa hasta dos moléculas de ácido pirúvico. Es un proceso catabólico puesto que se produce energía en forma de ATP y está formado por una secuencia de reacciones oxidativas donde la glucosa se oxida hasta ácido pirúvico.

Por otro lado, se trata de un proceso anaeróbico puesto que no necesita de oxígeno para llevarse a cabo, de hecho, forma parte del catabolismo de organismos tanto aeróbicos como anaeróbicos.

La glucólisis se localiza en el citoplasma de la célula eucariota y sus tres productos finales son, por cada molécula de glucosa, 2 moléculas de ácido pirúvico, 4 de ATP y 2 de NADH.

Cuando no hay disponibilidad de oxígeno, el ácido pirúvico no sigue el camino de la respiración de celular (descarboxilación oxidativa, ciclo de Krebs y cadena respiratoria), sino que sigue la vía de las fermentaciones.

Se produce una oxidación incompleta de la materia orgánica compleja a materia orgánica, con lo que se obtiene poca cantidad de energía. Existen dos tipos, la fermentación láctica y la alcohólica, dependiendo del producto que se obtenga.

Fase Luminosa: Fotólisis del Agua y Síntesis de ATP

La fase luminosa de la fotosíntesis tiene lugar en las membranas tilacoidales de los cloroplastos ya que es en estas membranas donde se localizan las moléculas de clorofila agrupadas los fotosistemas que participan en la captación de la energía luminosa. La molécula A es el agua que se rompe enzimáticamente (fotólisis) dando lugar a protones, electrones y oxígeno molecular, este último es la molécula representada por la letra B. La molécula D son protones que son bombeados por el citocromo b6-f, hacia el espacio luminal, que junto con los bombeados previamente por la enzima encargada de la fotólisis incrementan la acidez del lumen, de esta forma se genera un gradiente electroquímico que es necesario para que se produzca la fotofosforilación (síntesis de ATP por la ATP sintetasa, que usa la energía protón-motriz generada en el transporte de dichos protones hacia el estroma).

Por otro lado, la molécula F es el NADPH reducido que se usa posteriormente en el ciclo de Calvin o fase oscura para reducir el 1,3-bifosfoglicerato a gliceraldehído-3-fosfato. En concreto se originan seis moléculas de GA3P, una de las cuales se usa para sintetizar glúcidos en el citosol (que son las biomoléculas producto de las reacciones de la fase oscura), las otras cinco siguen el ciclo.

ADP y ATP: Moneda Energética Celular

La molécula A es el ADP y la molécula B es el ATP, ambos son nucleótidos formados por la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y dos o tres molécula de fosfato, respectivamente.

Los enlaces entre los grupos fosfato son enlaces muy energéticos, esto hace que estas moléculas almacenen energía en dichos enlaces. Suministran energía a los procesos anabólicos y almacenan energía desprendida en procesos catabólicos. Lo hacen de forma que en reacciones químicas que requieren energía (exergónicas), utilizan dicha energía desprendida para unir un fosfato al ADP. Y viceversa, en reacciones que requieren energía (endergónicas) la suministran rompiendo un enlace entre grupos fosfatos del ATP.

Ciclo de Krebs: Convergencia Metabólica en la Mitocondria

El ciclo de Krebs tiene lugar en las mitocondrias, concretamente en el estroma mitocondrial.

La función metabólica es la de ser el punto donde convergen el catabolismo de glúcidos (glucolisis), ácidos grasos (beta oxidación) y proteínas (oxidación de la cadena carbonada de los aminoácidos). Te indico todos sus productos finales, por cada vuelta: 2 CO2, 1 GTP (ATP), 3 NADH y 1 FADH2.

La molécula en la que converge tanto la glucólisis como la beta oxidación de ácidos grasos es el acetil-CoA. En el catabolismo de carbohidratos se producen piruvato que penetra en el estroma mitocondrial donde se descarboxila hasta acetil-CoA que es la molécula que entra en el ciclo de Krebs. Por su parte, la beta oxidación de los ácidos grasos es un proceso cíclico que se produce en el estroma mitocondrial, generando en cada vuelta una molécula de acetil-CoA que también alimenta el ciclo de Krebs.

Fase Luminosa: Origen del Oxígeno y Formación de ATP y NADPH

La fase luminosa de la fotosíntesis oxigénica o vegetal se lleva a cabo en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos vegetales. El oxigeno liberado en esta fase procede de la fotólisis del agua: cuando el agua llega a los cloroplastos se rompe enzimaticamente rindiendo protones, electrones y oxígeno molecular. Además de oxígeno, también se produce poder reductor en forma de NADPH y energía en forma de ATP mediante un proceso conocido como fotofosforilación. Ambas moléculas se emplean en la fase oscura o ciclo de Calvin, donde se asimila el CO atmosférico y se reduce hasta formar biomoléculas (fijación de carbono).

La clorofila es un pigmento fotosintético que se encuentra en la membrana de los tilacoides formando parte de los fotosistemas. Son moléculas que poseen un grupo cromóforo capaz de absorber una longitud de onda determinada del espectro visible. Es decir, su función es la de transformar la energía lumínica en energía química, ya que cuando absorben luz son excitadas y transfieren electrones a un aceptor primario empezando así la cadena de transporte electrónico que tiene lugar en la fase luminosa de la fotosintesis.

Respiración Celular: Glucólisis, Ciclo de Krebs y Cadena Respiratoria

El proceso A es la glucólisis que es una ruta catabólica universal e independiente de oxígeno que se lleva a cabo en el citoplasma. Es la primera etapa de lo que se conoce como respiración celular, la cual continua con el ciclo de Krebs y termina con la cadena respiratoria. Consta de diez reacciones químicas catalizadas enzimáticamente por la que una molécula de glucosa (6átomos de carbono) se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico (3átomos de carbono). Estas diez reacciones se agrupan en dos etapas: la preparatoria y la de beneficio. Y su balance global es:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 ácido pirúvico + 2 ATP + 2NADH + 2H++ 2H20

La molécula 2 es el acetil-CoA que se obtiene por descarboxilación oxidativa del piruvato procedente de la glucólisis y se incorpora al ciclo de Krebs.

Además de este acetil-CoA procedente del metabolismo de la glucosa, también se incorporan moléculas de acetil-CoA que se producen en la B-oxidación de los ácidos grasos y en el catabolismo de los aminoácidos, por tanto, en esta molécula convergen varias vías catabólicas y es la conexión de todas ellas con el ciclo de Krebs.

La letra B es el ciclo de Krebs, la segunda fase de la respiración celular. Es una vía fundamental para la degradación de la mayoría de los compuestos orgánicos y para la obtención coenzimas reductoras, siendo la vía más importante para el catabolismo de las sustancias orgánicas. En este ciclo, los carbonos del acetilo son oxidados y salen al citosol en forma de CO2. Además, se producen oxidaciones sucesivas donde se originan NADH y FADH2 que luego se oxidarán en la cadena respiratoria, y energía en forma de GTP. El ciclo de Krebs es alimentado continuamente por sustratos y continuamente genera productos.

Las sustancias intermediarias se recuperan para ser de nuevo integradas en él. Sólo se detendrá por falta de sustratos o por exceso de productos, al inhibirse sus enzimas.

Por último, la letra C representa la cadena respiratoria mitocondrial que es la última etapa de la respiración celular y el número 1 indica el ATP que es la molécula donde la célula almacena la energía obtenida en el catabolismo. El papel del oxígeno en la cadena de transporte es ser el aceptor final de electrones