Fisiología celular: nutrición

Fisiología celular: nutrición

1. NUTRICIÓN

Lo que entra en una célula es lo que ésta necesita para desarrollar sus funciones. Las necesidades celulares varían según el tipo de reacciones químicas que la célula pueda realizar (METABOLISMO), según los enzimas que tenga. Las células se pueden clasificar en función de sus necesidades:

• Según la fuente de carbono que utilizan para construir el esqueleto carbonado de sus biomoléculas:
• Autótrofas: utilizan el CO₂ (plantas y bacterias)
• Heterótrofas: utilizan moléculas orgánicas (animales y microorganismos)
• Según la fuente de energía que necesitan:
• Fotótrofas: utilizan la luz como fuente de energía para producir materia orgánica.
• Quimiótrofas: obtienen la energía que se desprende en reacciones químicas de oxidación-reducción.

1. FASES DE LA NUTRICIÓN CELULAR

1. INCORPORACIÓN DE SUSTANCIAS (Intercambio de sustancias en las células)
2. DIGESTIÓN DE SUSTANCIAS (Enzimas de los lisosomas)
3. UTILIZACIÓN DE LA MATERIA Y ENERGÍA. METABOLISMO.

• Obtención de energía por consumo de materia orgánica: RESPIRACIÓN / FERMENTACIÓN
• Obtención de materia orgánica: FOTOSÍNTESIS / QUIMIOSÍNTESIS

1. ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS DE DESECHO O EXCRECIÓN (Intercambio de sustancias en las células)

1. INTERCAMBIO DE SUSTANCIAS EN LAS CÉLULAS

Tanto la incorporación de sustancias nutritivas como la eliminación de las de desecho se realiza a través de la membrana celular y por los siguientes mecanismos:

1. Transporte pasivo: se lleva a cabo sin gasto de energía y a favorde un gradiente de concentración (las sustancias viajan desde la zona en que se encuentran en mayor concentración a otra en la que esta es menor). Se distinguen:

• Difusión simple: paso de moléculas pequeñas (H₂O, N₂, O₂, CO₂, iones) a través de la bicapa de lípidos o de proteínas canal.
• Difusión facilitada: paso de sustancias polares (azúcares) a través de proteínas específicas llamadas permeasas.

1. Transporte activo: se lleva a cabo con gasto de energía y en contra de un gradiente de concentración o eléctrico. Se realiza mediante proteínas llamadas bombas.
2. Endocitosis: mecanismo que implica deformación de la membrana y que sirve para incorporar moléculas grandes. Las sustancias son rodeadas por un trozo de la membrana y se forma una vesícula que se desplaza al interior de la célula. Se distinguen:

• Fagocitosis: la membrana emite unas prolongaciones llamadas pseudópodos que rodean la partícula.
• Pinocitosis: toma de una gota de líquido extracelular que se incorpora en una vesícula llamada pinocito.
• Endocitosis mediada por receptor: incorporación de una sustancia concreta llamada ligando que se identifica a través de receptores específicos.

1. Exocitosis: proceso mediante el cual se engloban macromoléculas en vesículas dentro del citoplasma, se transportan a la superficie y se liberan al exterior. Así se liberan sustancias de desecho.

1. UTILIZACIÓN DE LA MATERIA Y ENERGÍA. METABOLISMO.

Las células utilizan los compuestos que entran en ella para:

_ Obtener la energía química necesaria para realizar las funciones celulares.

_ Construir los materiales propios de la célula.

Estos procesos incluyen reacciones químicas encadenadas, cuya suma total constituye el METABOLISMO, que se puede definir como el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en la célula.

Las reacciones están encadenadas en lo que se llaman rutasmetabólicas, es decir, secuencias de reacciones sucesivas, cada una de ellas catalizada por un enzima especifico.

Tipos de metabolismo

Catabolismo: conjunto de reacciones químicas mediante las cuales las moléculas de mayor tamaño y más reducidas se rompen en moléculas más sencillas y oxidadas, al mismo tiempo se libera energía, que se conserva en forma de ATP o poder reductor (NADH; NADPH). La energía obtenida se usa para trabajo mecánico (movimientos celulares, contracción muscular, etc…), transporte activo a través de la membrana, amplificación de señales y construcción de moléculas.

Anabolismo: conjunto de reacciones químicas mediante las cuales se sintetizan moléculas grandes y reducidas a partir de otras más simples, para lo que se requiere energía (ATP) y poder reductor (NADPH) obtenidos del catabolismo o de la conversión de energía lumínica en los organismos fotosintéticos.

Ambos procesos están conectados y son simultáneos.

1. CATABOLISMO: RESPIRACIÓN Y FERMENTACIÓN

La finalidad del catabolismo es la obtención de energía por consumo de materia orgánica para que la célula realice sus funciones vitales.

La célula debe tener una molécula a la que pueda cederle los electrones o los hidrógenos desprendidos en las rutas de oxidación. Según el aceptor de electrones, los seres vivos se pueden clasificar en:

_ Aerobios: utilizan O₂como último aceptor de electrones. La oxidación de la molécula es completa.

_ Anaerobios: utilizan otras moléculas (NO₂⁻, SO₄^{2 –}). La oxidación es parcial o incompleta.

En la mayoría de los seres vivos, la glucosa (6 carbonos) se oxida liberando energía en forma de ATP y produce dos moléculas de piruvato (3 carbonos). Esta ruta se llama GLUCÓLISIS.

• En condiciones aerobias, el piruvato es completamente oxidado a CO₂ y H₂O. La degradación total de moléculas orgánicas por medio de oxígeno molecular se llama RESPIRACIÓN CELULAR.

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ ――――→ 6 CO₂ + 6 H₂O

• En condiciones anaerobias, hay células que convierten el piruvato en ácido láctico y otras producen etanol y CO₂. Este proceso se llama FERMENTACIÓN. Ocurre en bacterias y en células eucariotas en condiciones de anoxia (falta de oxígeno).

RESPIRACIÓN

Como es un proceso catabólico, su función es obtener energía mediante la oxidación completa de moléculas orgánicas.

En las células eucariotas, la respiración ocurre en las mitocondrias, excepto la glucólisis, que ocurre en el citoplasma de la célula. Tiene las siguientes fases:

1. Glucólisis: es la oxidación parcial de la glucosa (6C) a piruvato (3C). Consiste en 10 reacciones que pueden agruparse en dos fases. En la primera, la glucosa se activa y se rompe en dos triosas y se consume energía en forma de ATP. En la segunda, se utiliza la energía contenida en las triosas formadas para obtener ATP, mediante reacciones de oxidación y transferencia de grupos fosfato al ADP. El producto es el ácido pirúvico (o piruvato). Cada molécula de glucosa se convierte en dos de piruvato.

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ → 2 Ácido pirúvico + 2 ATP + 2 H₂O + 2 NADH + 2 H⁺

El ácido pirúvico formado en la glucólisis en el citoplasma celular pasa a la matriz mitocondrial. Allí se oxida parcialmente a ácido acético (acetato) que después se unirá al coenzimaA (CoA) (1C) para activarse. Por tanto, se obtiene acetil-coA (2 C).

1. Ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs: el acetil-coA se condensa con un ácido de 4 C para formar el ácido cítrico (6 C). Es una ruta circular en la que se oxidan intermediarios hasta obtener dos moléculas de CO₂ y 8 hidrógenos (4 pares de electrones) transportados por NAD⁺ y FAD. Por tanto, el ciclo cataliza la descomposición del acético en forma de una molécula por vuelta.

Acetil-coA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + H₂O → 2 CO₂ + 3 NADH + 3 H⁺ + FADH₂ + GTP + coA

1. Cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa

Los intermediarios NADH y FADH₂ ceden los electrones a una cadena de transporte de electrones o cadena respiratoria, en la que una serie de proteínas en cascada transfieren los e⁻ al oxígeno. Acoplada a esta cadena, se produce la síntesis de ATP a partir de ADP + Pi en la llamada fosforilación oxidativa.

NADH ATP

e⁻ H₂O

½ O₂

FADH₂ ADP + Pi

Esta cadena de transporte de e⁻ está en la membrana de la mitocondria. En ella también se encuentra el complejo ATP-sintetasa (ATPasa) que cataliza la unión entre el Pi y el ADP.

Balance de la respiración:

1. Glucolisis: 2 NADH · 3 = 6 ATP (Lanzadera en hígado y corazón)

2 ATP (Ruta)

−−−−−−

8 ATP

1. 2 piruvato + 2 NAD⁺ + coA → 2 acetilcoA + 2 CO₂ + 2 NADH + 2 H⁺

−−−−−−−

 6 ATP

1. Ciclo de Krebs y cadena respiratoria

3 NADH

FAD 12 ATP · 2 = 24 ATP

GTP

Total: 8 + 6 + 24 = 38 ATP

FERMENTACIÓN

Es un proceso anaeróbico de obtención de energía a partir de moléculas orgánicas. Es característica de células anaerobias, como algunas bacterias, y constituye rutas alternativas para obtener energía en células anaerobias facultativas, como las levaduras.

Características:

• La oxidación de la glucosa es parcial
• Proporciona menos energía que la respiración. Cada molécula de glucosa solo proporciona 2 moléculas de ATP. Los productos de la fermentación se expulsan al medio.
• No se usan aceptores externos de electrones.

Tipos:

1. Homoláctica:

Algunas bacterias convierten el piruvato en ácido láctico (lactato). También los organismos superiores usan esta vía cuando se necesita mucha energía durante una actividad intensa y el oxígeno que llega no es suficiente para que sólo se produzca respiración celular. La acumulación de cristales de ácido láctico en el músculo produce las agujetas.

NADH + H⁺ NAD⁺ 

ácido pirúvico ───→ ácido láctico

1. Alcohólica:

Algunas bacterias y levaduras convierten el piruvato en etanol y CO₂ en dos etapas:

CO₂ NADH + H⁺ NAD⁺ 

Ácido pirúvico ────→ acetaldehído ────→ etanol

La fabricación de la cerveza aprovecha la vía anaerobia de las levaduras en tanques de fermentación, en las que su alimento principal es la glucosa.

1. Pútrida

Se desprenden productos como butírico, propiónico, … que producen el mal olor característico de las putrefacción.

• ANABOLISMO: FOTOSÍNTESIS Y QUIMIOSÍNTESIS

Las células autótrofas son aquellas capaces de fabricar materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos. Para ello, se requiere energía que se puede obtener de dos formas:

• Por fotosíntesis, es decir, a partir de la energía de la luz del sol.
• Por quimiosíntesis, a partir de reacciones inorgánicas de oxidación-reducción.

Ambos procesos continúan con el ciclo de Calvin, en el cual se forman compuestos orgánicos a partir de CO₂.

Las células heterótrofas producen también su propia materia orgánica pero utilizando otras moléculas orgánicas que toman de otros seres vivos.

FOTOSÍNTESIS

Los organismos fotosintéticos pueden convertir la energía de la luz solar en energíaquímica, necesaria para producir los compuestos orgánicos. Como ejemplos hay algunas bacterias, algas y plantas. En las células eucarióticas ocurre en los cloroplastos.

La fotosíntesis consiste en la obtención de materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos, gracias a la energía de la luz.

Ecuación general: 6 H₂O + 6 CO₂ ――――→ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

El oxígeno desprendido no proviene de la molécula de CO₂ sino del agua.

Consta de las siguientes fases:

1. Fase lumínica: se produce la conversión de energía de la luz en energía química. Ocurre la Fotolisis (rotura) de la molécula de agua con desprendimiento de oxígeno. Todo ello es posible porque existe una molécula sensible a la luz que, al recibirla, emite electrones que serán captados por una molécula que se reduce (energía química). Las sustancias capaces de absorber la luz son los pigmentos fotosintéticos, de los cuales el más importante es la CLOROFILA (verde).

En las células eucarióticas de las hojas de las plantas esta fase ocurre en las membranas de los tilacoides de los cloroplastos, en las cuales se localizan las moléculas de clorofila, agrupadas formando los fotosistemas, y el resto de complejos de proteínas que participan en la captación de la energía de la luz.

El pigmentoexcitado por la luz emite electrones que son captados por una cadena de transporte electrónico que los llevará hasta el NADP⁺. Éste tomará los electrones y se reducirá. Este flujo de electrones sigue el esquema en Z ya que la energía de la luz es absorbida y utilizada para impulsar los electrones desde el fotosistema II (PS II) al fotosistema I (PS I) y desde ahí al NADP⁺. En este proceso también se forma ATP.

1. Fase oscura: la energía obtenida se utiliza para la formación de moléculas orgánicas. En esta fase se consume CO₂ y consta de una serie de reacciones independientes de la luz, es decir, se producen tanto si hay luz como si no la hay.

El NADPH (reducido) y el ATP formados en la fase anterior se utilizan para reducir el CO₂, es decir, para sintetizar moléculas orgánicas (Ejemplo: glucosa). El proceso se llama Fijación de CO₂ y ocurre según una serie cíclica de reacciones que reciben el nombre de Ciclo de Calvin – Benson. En el ciclo participa la enzima Rubisco que es el que realmente fija la molécula de CO₂ y que se activa con la luz del día. El ciclo ocurre en el estroma del cloroplasto y el compuesto inicial es un glúcido de 5 C llamado Ribulosa 1, 5 bifosfato (RuBP). Éste se une al CO₂ y se rompe en dos moléculas de ácido 3- fosfoglicérico (PGA). El siguiente paso es la reducción del PGA a gliceraldehído 3 – fosfato (GAP). Se comprueba que cada tres moléculas de CO₂ fijadas se producen seis moléculas de GAP. El GAP puede formar glucosa o fructosa en una ruta metabólica muy similar al proceso inverso de la glucólisis.

Balance de la fotosíntesis:

6 CO₂ + 12 NADPH + 12 H⁺ + 18 ATP –––→ 1 Hexosa + 12 NADP⁺ + 18 ADP + 18 Pi

Son necesarias 2 vueltas del ciclo para producir un mol de glucosa ya que la fijación de 3 CO₂ con producción de una de GAP requiere el gasto de 9 ATP y 6 NADPH.

QUIMIOSÍNTESIS

La realizan algunas bacterias y utilizan la energía liberada en reacciones redox para formar materia orgániuca. Entre ellas están las bacterias nitrificantes que oxidan el amoniaco a nitritos y los nitritos a nitratos. Debido a que transforman las sales inorgánicas, estas bacterias son muy importantes, puesto que forman parte de los ciclos biogeoquímicos de muchos elementos fundamentales para la vida.

La quimiosíntesis consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica y de la energía desprendida de reacciones de oxidación-reducción. Puede dividirse en dos fases:

1. Obtención de energía por medio de reacciones inorgánicas en las que se produce una oxidación que desprende energía en forma de ATP y NADH.
2. Producción de materia orgánica. El ATP y NADH se utilizan para la síntesis de materia orgánica por medio del ciclo de Calvin-Benson.

2 NH₄⁺ + 3 O₂ → 2 NO₂^- + 4 H⁺ + 2 H₂O