tema 03 de 03 · Biología
Metabolismo
Es el tema que más miedo da, y lo entiendo: rutas, siglas, balances. Pero tiene truco: casi cualquier pregunta se responde con tres datos por etapa (dónde ocurre, qué entra y qué sale), y un esquema rotulado vale más que un párrafo.
Qué te va a pedir el examen
- Distinguir catabolismo y anabolismo, y clasificar un proceso o una ecuación global en uno de los dos, justificándolo.
- Describir las etapas de la respiración celular con su localización exacta, sus sustratos y sus productos.
- Comparar respiración y fermentación razonando la diferencia de rendimiento, no solo dando las cifras.
- Explicar las dos fases de la fotosíntesis, dónde ocurre cada una y por qué la segunda depende de la primera.
- Comparar fotosíntesis y respiración: la tabla de contrarios que más se pregunta.
1 El mapa: catabolismo y anabolismo
El metabolismo es el conjunto de reacciones de la célula, y se ordena en dos vertientes. El catabolismo degrada moléculas complejas en simples, es oxidativo y libera energía: produce ATP y poder reductor (NADH, FADH2). El anabolismo sintetiza moléculas complejas a partir de simples, es reductor y consume energía: gasta ATP y NADPH. Con esa regla clasificas cualquier ecuación que te pongan delante: mira si construye o degrada, sin fiarte de cómo suene el verbo.
El ATP es la moneda energética: un intermediario de uso inmediato, no un almacén. Y los coenzimas transportan electrones de una ruta a otra: NADH y FADH2 trabajan en el catabolismo, NADPH en el anabolismo. Un truco que evita confusiones: la P de NADPH va con la biosíntesis.
2 La respiración celular: cuatro etapas, tres datos por etapa
La oxidación completa de la glucosa encadena cuatro etapas, y de cada una debes controlar dónde, qué entra y qué sale. La glucólisis ocurre en el citosol (no en la mitocondria: es el despiste más repetido del tema), no necesita oxígeno y convierte una glucosa en 2 pirúvicos, con un balance neto de 2 ATP y 2 NADH.
En la matriz mitocondrial, cada pirúvico se transforma en acetil-CoA (descarboxilación oxidativa) y entra en el ciclo de Krebs, que lo oxida por completo a CO2. Por cada acetil-CoA salen 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP; y como de una glucosa salen dos acetil-CoA, hay que multiplicar por dos: es el error de cálculo más frecuente. Fíjate en el sentido del ciclo: apenas produce ATP directamente; su papel es cargar coenzimas, generar poder reductor para la etapa final. Decirlo así demuestra que entiendes la ruta.
La última etapa es la cadena respiratoria con la fosforilación oxidativa, en la membrana mitocondrial interna: los electrones del NADH y el FADH2 recorren los transportadores hasta el oxígeno, el aceptor final, que forma agua. Ese transporte bombea protones y crea un gradiente; al volver los protones a través de la ATP sintasa, se fosforila ADP a ATP. Por eso un tóxico que bloquee un solo punto de la cadena detiene toda la producción: cadena y síntesis de ATP están acopladas por el gradiente.
El balance global ronda los 30-32 ATP por glucosa (di que la cifra es aproximada). Y entiende el papel del oxígeno: no interviene ni en la glucólisis ni en Krebs, pero sin aceptor final la cadena se bloquea, los coenzimas no se reoxidan y todo el proceso se para.
3 La fermentación: poco ATP, pero suficiente
Sin oxígeno, la célula tiene un problema concreto: el NADH de la glucólisis no puede descargarse en la cadena, y sin NAD+ libre la glucólisis se detendría. La fermentación resuelve exactamente eso: usa un compuesto orgánico como aceptor de electrones para reoxidar el NADH y que la glucólisis pueda continuar. En la láctica (bacterias del yogur, y el músculo en un esfuerzo intenso) el producto es ácido láctico; en la alcohólica (levaduras del pan, el vino y la cerveza), etanol y CO2.
El balance es modesto: 2 ATP por glucosa, los de la glucólisis, frente a los 30 largos de la respiración. Aquí está el razonamiento que se pide una y otra vez, así que no te quedes en las cifras: la fermentación rinde poco porque la glucosa no se oxida por completo; el producto final (láctico o etanol) sigue siendo una molécula orgánica que conserva la mayor parte de la energía. La respiración, en cambio, la oxida entera hasta CO2 y agua y aprovecha todos los electrones en la cadena.
Un matiz que sube nota: la fermentación no es «una ruta que no genera energía». Los 2 ATP los produce la glucólisis previa; el paso fermentativo en sí no fabrica ATP, sino que regenera el NAD+ que mantiene viva la glucólisis. Es un apaño rápido para cobrar algo de energía cuando no hay oxígeno, a cambio de dejar casi toda sin extraer.
4 La fotosíntesis: dos fases que se necesitan
La fotosíntesis transforma energía luminosa en energía química: con luz, agua y CO2, los autótrofos fabrican materia orgánica. Tiene dos fases, y localizar cada una en su sitio es media pregunta. La fase fotoquímica ocurre en la membrana de los tilacoides del cloroplasto: los fotosistemas captan la luz, la fotólisis del agua aporta los electrones y libera O2 como subproducto, y el transporte de electrones genera ATP y NADPH. Guárdate el dato con valor de titular: el oxígeno que respiramos procede del agua, no del CO2.
La fase de fijación del carbono o ciclo de Calvin ocurre en el estroma: la enzima RuBisCO fija el CO2 y, gastando el ATP y el NADPH de la fase anterior, se sintetizan los precursores de la glucosa. Quizá la hayas visto llamada «fase oscura» en apuntes antiguos; evita ese nombre, porque arrastra un malentendido que se pregunta: no ocurre de noche. Sin los productos de la fase fotoquímica, el ciclo de Calvin se para; esa dependencia entre fases es justo la relación que suelen pedir que expliques.
Completa el cuadro la quimiosíntesis: bacterias autótrofas que en lugar de luz usan la energía de oxidar compuestos inorgánicos. Su interés biológico es que cierran ciclos de la materia como el del nitrógeno.
5 La comparación final: respiración frente a fotosíntesis
La tabla de contrarios que más se pregunta: la respiración es catabolismo, ocurre en la mitocondria, consume O2 y materia orgánica y produce CO2, agua y ATP; la fotosíntesis es anabolismo, ocurre en el cloroplasto, consume CO2 y agua y produce materia orgánica y O2. Coenzimas distintos, además: NADH en una, NADPH en la otra.
Y el matiz final que distingue una buena respuesta: no son procesos inversos, sino complementarios. Ocurren en orgánulos distintos, con enzimas y coenzimas distintos, aunque sus ecuaciones globales parezcan espejo. De hecho comparten estrategia: ambos usan una cadena de transporte de electrones y un gradiente de protones para fabricar ATP. Una célula vegetal tiene mitocondrias y cloroplastos a la vez, y eso le da independencia energética cuando falta la luz.
Para llevarte
- Cada etapa se responde con tres datos: dónde ocurre, qué entra y qué sale. Si te los sabes, el tema entero se ordena solo.
- Localizaciones exactas: glucólisis en el citosol, Krebs en la matriz mitocondrial, cadena respiratoria en la membrana interna, fase fotoquímica en los tilacoides, ciclo de Calvin en el estroma.
- La fermentación rinde 2 ATP porque oxida la glucosa solo parcialmente; la respiración ronda los 30-32 porque la oxida por completo. Razona la diferencia, no des solo las cifras.
- El O2 de la fotosíntesis sale de la fotólisis del agua, no del CO2; y el ciclo de Calvin depende del ATP y el NADPH de la fase fotoquímica.
- NADH y FADH2 van con el catabolismo; NADPH, con el anabolismo: la P va con la biosíntesis.
- De una glucosa salen dos acetil-CoA: multiplica por dos el balance del ciclo de Krebs.
Errores que restan
- Situar la glucólisis en la mitocondria (es el citosol) o el ciclo de Calvin en los tilacoides (es el estroma).
- Atribuir a la fermentación mucho ATP o sumarle el rendimiento del ciclo de Krebs: solo rinde los 2 ATP de la glucólisis.
- Dar las cifras de rendimiento sin razonar la causa: oxidación completa frente a oxidación parcial de la glucosa.
- Confundir NADH (catabolismo) con NADPH (anabolismo).
- Decir que fotosíntesis y respiración son procesos inversos, o que el ciclo de Calvin funciona de noche.
Autochequeo
Responde sin mirar arriba. Si fallas, mejor aquí que el día del examen: cada opción trae su porqué.
1. ¿Dónde ocurre la glucólisis en una célula eucariota?
La glucólisis ocurre en el citosol y no necesita oxígeno: por eso la realizan también las células que fermentan. Colocarla en la mitocondria es el despiste más repetido del tema; en la matriz ocurren Krebs y la descarboxilación del pirúvico, y en la membrana interna, la cadena respiratoria.
2. ¿Por qué la fermentación rinde solo 2 ATP por glucosa frente a los 30 largos de la respiración?
En la fermentación la glucosa no llega a oxidarse por completo: el láctico o el etanol siguen siendo moléculas orgánicas cargadas de energía sin extraer, y no hay cadena respiratoria que aproveche los electrones. Sin oxígeno, el ciclo de Krebs directamente no funciona (no es que rinda menos), y los 2 ATP sí son energía real: los produce la glucólisis previa.
3. El oxígeno que libera una planta durante la fotosíntesis procede...
En la fase fotoquímica, la rotura del agua repone los electrones que pierde el fotosistema y libera O2 como subproducto: de ahí sale el oxígeno que respiramos. El CO2 no se rompe para dar O2; su carbono acaba en la glucosa a través del ciclo de Calvin.
4. Durante un esfuerzo muy intenso, a las fibras musculares no les llega oxígeno suficiente. ¿Qué hacen para seguir obteniendo ATP?
El músculo recurre a la fermentación láctica: el pirúvico acepta los electrones del NADH, se regenera el NAD+ y la glucólisis sigue produciendo sus 2 ATP. La alcohólica es cosa de levaduras, no de células musculares; y el ciclo de Krebs, aunque no consume O2 directamente, se detiene sin cadena respiratoria que reoxide sus coenzimas.
5. Sobre la fase de fijación del carbono (ciclo de Calvin) es correcto afirmar que...
El ciclo de Calvin ocurre en el estroma del cloroplasto y consume el ATP y el NADPH que fabrica la fase fotoquímica: sin ellos se detiene, así que no funciona de noche aunque no use la luz directamente. Los tilacoides y la producción de O2 pertenecen a la otra fase; por eso el nombre antiguo de «fase oscura» lleva a error.
La pregunta que decide si lo tienes
Una levadura puede obtener energía de la glucosa por respiración o por fermentación alcohólica. Explica por qué la respiración le rinde unas quince veces más ATP, sin limitarte a dar las dos cifras.
Pista 1
Compara el destino final del carbono de la glucosa en cada vía: ¿en qué molécula acaba en la respiración y en cuál en la fermentación? ¿Cuánta energía conserva todavía cada una?
Pista 2
Piensa ahora en los coenzimas: ¿qué hace la cadena respiratoria con los electrones del NADH y el FADH2, y qué puede hacer con ellos la levadura cuando no respira?
Solución
La diferencia está en hasta dónde llega la oxidación de la glucosa. En la respiración, la glucosa se oxida por completo hasta CO2 y agua: la glucólisis, la descarboxilación del pirúvico y el ciclo de Krebs van extrayendo sus electrones y cargándolos en NADH y FADH2, y la cadena respiratoria los conduce hasta el oxígeno, usando ese flujo para bombear protones y fabricar la gran mayoría del ATP por fosforilación oxidativa. Total: en torno a 30-32 ATP por glucosa, cifra aproximada. En la fermentación, en cambio, la glucosa solo recorre la glucólisis (2 ATP netos) y el pirúvico se reduce a etanol, que sigue siendo una molécula orgánica que conserva la mayor parte de la energía: la oxidación queda a medias. Además, sin oxígeno no hay cadena respiratoria, así que los electrones del NADH no pueden aprovecharse; ese NADH se usa solo para regenerar el NAD+ que mantiene en marcha la glucólisis. Por eso la respiración rinde unas quince veces más: oxida todo y aprovecha todos los electrones, mientras que la fermentación cobra deprisa una parte mínima y deja el resto de la energía atrapada en el producto final.