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:
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:
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.
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−, SO42 –). 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.
C6H12O6 + 6 O2 ――――→ 6 CO2 + 6 H2O
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:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi + 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).
Acetil-coA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + H2O → 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + coA
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:
2 ATP (Ruta)
−−−−−−
8 ATP
−−−−−−−
6 ATP
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:
Tipos:
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
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.
Se desprenden productos como butírico, propiónico, … que producen el mal olor característico de las putrefacción.
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:
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:
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.
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:
2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O