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BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO 2. 0RGANIZACIÓN Y FISIOLOGÍA CELULAR (2) Clara Benhamú Barchilón

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5. CÉLULA EUCARIÓTICA. FUNCIÓN DE NUTRICIÓN

5.1. CONCEPTO DE NUTRICIÓN. NUTRICIÓN AUTÓTROFA Y HETERÓTROFA

La nutrición celular es el conjunto de procesos mediante los cuales, la célula obtiene la materia y energía necesarias para realizar sus funciones vitales y para fabricar su materia celular.

Existen dos tipos de nutrición celular: la nutrición autótotrofa y la nutrición heterótrofa

NUTRICIÓN AUTÓTROFA: Las células eucarióticas autótrofas (células vegetales con cloroplastos y células de las algas) fabrican materia orgánica a partir de materia inorgánica para lo cual necesitan captar la energía procedente del Sol.

Podemos resumir este tipo de nutrición en tres fases:

1. Incorporación de moléculas inorgánicas. Mediante éste proceso, las moléculas inorgánicas sencillas (agua, sales y CO2) atraviesan la membrana celular por difusión.

2. Metabolismo. Es el conjunto de reacciones químicas cuyo resultado es la obtención de energía química utilizable por la célula y la fabricación de materia celular propia.

El metababolismo de una célula autótrofa incluye: Fotosíntesis o anabolismo autótrofo, proceso de biosíntesis de materia orgánica.

Catabolismo, proceso degradativo en el que la materia orgánica es oxidada y se obtiene energía.

Anabolismo heterótrofo, proceso constructivo en la que, utilizando la materia orgánica generada en la fotosíntesis y la energía obtenida en el catabolismo, la célula sintetiza moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas orgánicas simples.

3. Excreción. Es la eliminación de los productos de desecho generados en el metabolismo, que salen a través de la membrana celular

NUTRICIÓN HETERÓTROFA: Las células eucarióticas heterótrofas no pueden obtener materia orgánica a partir de materia inorgánica, por lo que deberán incorporar la materia orgánica ya sintetizada.

Las células eucariotas heterótrofas son las células animales, los protozoos y las células de los hongos.

El proceso de nutrición heterótrofa de una célula se puede resumir en siete etapas:

1. Incorporación de moléculas orgánicas. Si son de pequeño tamaño, pueden atravesar la membrana celular por difusión facilitada. Las partículas alimenticias de mayor tamaño son atraídas por la célula creando torbellinos mediante sus cilios o flagelos, o emitiendo seudópodos. Estas partículas quedan en el interior de un fagosoma.


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2. Digestión. Los lisosomas vierten sus enzimas digestivas en el fagosoma, que así se transformará en vacuola digestiva o lisosoma secundario, en cuyo interior, las enzimas hidrolizan las moléculas complejas en moléculas sencillas, asimilables por la célula.

3. Absorción o paso de nutrientes a través de la membrana. Las pequeñas moléculas liberadas en la digestión atraviesan la membrana del lisosoma secundario y pasan al citoplasma.

4. Egestión. La célula expulsa al exterior las moléculas que no han sido digeridas o absorbidas..

5. Metabolismo. Es el conjunto de reacciones que tienen lugar en el citoplasma. Su fin es

obtener energía para la célula y construir materia orgánica celular propia.

El metabolismo de una célula heterótrofa consta de: Catabolismo, proceso degradativo en el que la

materia orgánica es oxidada y se obtiene energía.

Anabolismo heterótrofo, proceso constructivo en la que, utilizando la materia orgánica generada en la fotosíntesis y la energía obtenida en el catabolismo, la célula sintetiza moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas orgánicas simples.

6. Excreción. La excreción es la expulsión al exterior, a través de la membrana celular, de los

productos de desecho del catabolismo. Estos productos son normalmente CO2, H2O y NH3.

5.2. INGESTIÓN

5.2.1. PERMEABILIDAD CELULAR. DIFUSIÓN Y TRANSPORTE

5.2.2. ENDOCITOSIS. FAGOCITOSIS Y PINOCITOSIS

Todos estos mecanismos fueron estudiados con más detalle en:

3.1.3. FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA.

5.3. DIGESTIÓN CELULAR. ORGÁNULOS IMPLICADOS

El estudio de los lisosomas y sus funciones se ha abordado en el punto:

3.4.6. LISOSOMAS

5.4. EXOCITOSIS Y SECRECIÓN CELULAR

Todo lo relativo la la secreción de sustancias por la célula y a la exocitosis, fue estudiado en los apartados:

3.4.4. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO

3.4.5. APARATO DE GOLGI.


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5.5. METABOLISMO

Todos los seres vivos necesitan incorporar a sus células diferentes tipos de átomos, de los cuales, el de mayor importancia es el C. Por ello, se puede hacer una clasificación de los tipos de metabolismo atendiendo a la fuente de carbono que utilicen:

Metabolismo litotrofo o autótrofo: Cuando la fuente de carbono es inorgánica (CO2).

Metabolismo organotrofo o heterótrofo: Cuando la fuente de carbono es la materia orgánica.

Por otra parte, la energía que utilizan los seres vivos puede provenir de dos tipos diferentes de fuente, lo que determina otros dos tipos de metabolismo:

Metabolismo fototrofo: Si la fuente de energía es la luz solar

Metabolismo quimiotrofo: Si la fuente de energía son las reacciones de oxidación-reducción.

De la combinación de estos tipos de metabolismo, surgen los 4 tipos de metabolismo posibles, en los cuales podremos encuadrar los distintos grupos de seres vivos.

La siguiente tabla resume los diferentes metabolismos y los organismos que los poseen:

FUENTE DE ENERGÍA

LUZ SOLAR REACCIONES RED-OX

METABOLISMO FOTOTROFO QUIMIOTROFO

FU

EN

TE

DE

C

MATERIA INORGÁNICA

CO2

LITOTROFO

O

AUTÓTROFO

FOTOLITOTROFO

FOTOAUTÓTROFO

o Vegetales o Algas o Bacterias fotosintéticas o Cianobacterias

QUIMIOLITOTROFO

QUIMIOAUTÓTROFO

o Bacterias quimiosintéticas

MATERIA ORGÁNICA

ORGANOTROFO

O

HETERÓTROFO

FOTOORGANOTROFO FOTOHETERÓTROFO

o Bacterias purpúreas no sulfúreas

QUIMIOORGANOTROFO QUIMIOHETERÓTROFO

o Animales o Hongos o Protozoos o Bacterias saprofitas,

simbiontes y parásitas


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5.5.1. CONCEPTO DE METABOLISMO CELULAR, CATABOLISMO Y ANABOLISMO

El metabolismo celular es el conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células.

Las reacciones del metabolismo conducen a la obtención de materia y energía para la realización de las funciones vitales y para el crecimiento y la renovación de estructuras.

Las reacciones metabólicas se encuentran secuenciadas, de modo que, en muchas ocasiones, el producto de una es el sustrato de la siguiente.

Todas las reacciones del metabolismo son catalizadas por enzimas.

En el metabolismo, se distinguen dos tipos de procesos:

CATABOLISMO: Transformación de moléculas complejas en otras más simples, es, por tanto un proceso degradativo.

En el catabolismo, los sustratos son oxidados y se desprende energía que es almacenada en forma de ATP. Por otra parte, se suele decir que las reacciones catabólicas son convergentes, porque, a partir de diferentes sustratos, se obtienen los mismos productos.

ANABOLISMO: Transformación de moléculas sencillas en otras más complejas. Es un proceso de síntesis.

En el anabolismo, los sustratos son reducidos y se gasta energía, es decir, se hidroliza ATP. Se suele decir que las reacciones anabólicas son divergentes porque, a partir de los mismos sustratos, pueden obtenerse diferentes productos.

5.5.2. ASPECTOS GENERALES DEL METABOLISMO.

REACCIONES DE OXIDORREDUCCIÓN En los procesos metabólicos, podemos ver que existe una

transferencia de electrones, es decir, son procesos de oxidorreducción (red-ox).

Siempre que un sustrato se oxida es porque hay otro que se reduce y viceversa. Dicho de otro modo: cuando un compuesto pierde electrones, se oxida y, al mismo tiempo, hay otro compuesto que se reduce porque acepta electrones.

Veremos, a lo largo del estudio del metabolismo, que la pérdida de electrones por los compuestos que se oxidan, supone, en realidad, una pérdida de H, mientras que la ganancia de electrones, supone una ganancia de H por los compuestos que se reducen.

La oxidorreducción puede apreciarse en las ecuaciones generales de los procesos, tales como la respiración aerobia:

CATABOLISMO Moléculas complejas

moléculas simples Degradación

Oxidación de los

sustratos

Obtención de

energía

ADP+Pi ATP

Convergencia en

los productos

ANABOLISMO Moléculas simples

moléculas complejas Síntesis

Reducción de los

sustratos

Gasto de

energía

ATP ADP+Pi

Divergencia en los productos


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Sumando todas las reacciones que se dan a lo largo de la respiración aerobia de una molécula de glucosa, resulta la siguiente ecuación general, en la que se puede observar que la glucosa se oxida y cede sus hidrógenos al oxígeno, que se reduce y se transforma en agua.

ATP

Cuando se habla de energía en el metabolismo, se puede emplear el ATP como sinónimo de la palabra energía.

Como ya se estudió en el apartado 7.2. NUCLEÓTIDOS, el ATP es uno de los nucleótidos con funciones no nucleicas, es decir, con otras funciones, además de la de formar parte del ADN y ARN.

Se dice que es un nucleótido transportador de energía, ya que almacena gran cantidad de energía en los enlaces que mantienen unidos los grupos fosfato.

Cuando se fosforila un ADP, se almacenan 7,3 Kcal/mol en el nuevo enlace y, cuando se hidroliza el ATP, se desprenden 7,3 Kcal/mol al romper ese mismo enlace.

5.5.3. ESTRATEGIAS DE OBTENCIÓN DE ENERGÍA.

OBTENCIÓN DE ENERGÍA QUÍMICA

Se observa en la ecuación general de la respiración de la glucosa que, globalmente, podemos hablar de una “combustión” de la glucosa, pero la gran cantidad de energía que se libera en este proceso, no se desprende de manera súbita como ocurriría en la combustión de un trozo de papel, sino que la energía se va liberando paulatinamente a lo largo del proceso, lo que permite su almacenamiento en los enlaces del ATP, gracias a tres factores:

1. Son reacciones consecutivas, que ocurren una después de la anterior, por lo que, si liberan energía de manera directa, lo hacen de forma gradual.

Cuando en una reacción metabólica se liberan más de 7 Kcal/mol, esta energía es suficiente para fosforilar un ADP.

Esta forma de obtención de energía se denomina fosforilación a nivel de sustrato. Por ejemplo:

Ecuación general de la respiración aerobia de una molécula de glucosa

C6H

12O

6 + 6 O

2 6 CO

2 + 6 H

2O + energía

se reduce

se oxida

Pi ADP ATP


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En la reacción siguiente, se libera suficiente energía para obtener 1 ATP fosforilando 1 ADP.

2. Los hidrógenos de la glucosa no van a parar directamente al oxígeno, sino que son transportados inicialmente por moléculas transportadoras de H como los coenzimas NAD+, FAD, NADP+ y Coenzima Q que se reducen transformándose en NADH + H+, FADH2 , NADPH + H+ y CoQH2.

3. Cuando los coenzimas reducidos se oxidan, los electrones (e-) de los H no pasan directamente al aceptor final, sino que son transferidos a lo largo de una cadena de transportadores de electrones; mientras que los protones (H+) quedan libres y se unen al aceptor final cuando lo hagan los electrones.

La cadena transportadora de electrones está constituida por citocromos ordenados de modo que sus potenciales redox son progresivamente menos negativos. Cuando un citocromo de la cadena se oxida, hace que el siguiente se reduzca y así sucesivamente, hasta llegar al aceptor final (generalmente, el O2), liberando energía que se utiliza para fosforilar el ADP y obtener ATP, gracias a la acción de los complejos enzimáticos ATP sintasas .

Esta forma de obtención de energía se denomina fosforilación oxidativa. La ATP sintasa se puede imaginar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP mediante el movimiento de un rotor cuando los protones (H+) fluyen a través de ella. En las mitocondrias, mientras se está produciendo el transporte de electrones, los H+ se acumulan en el espacio intermembranas y generan un gradiente de potencial eléctrico que hace que circulen hacia la matriz mitocondrial atravesando lls canales de las ATP sintasas. Este flujo activa al complejo enzimático y pone en marcha el mecanismo de la fosforilación.

ATP

Transporte de H+ y transporte de e- en la mitocondria. Fosforilación oxidativa

Estructura del complejo ATP sintasa


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OBTENCIÓN DE ENERGÍA LUMINOSA

La fotosíntesis es el único proceso capaz de utilizar la energía luminosa procedente del Sol.

La luz es una onda electromagnética que se propaga como una onda pero incide como partículas llamadas fotones. Cada fotón contiene una determinada cantidad de energía que va en función de la frecuencia y la longitud de onda: a menos longitud de onda, mayor energía.

La luz solar está compuesta por un amplio espectro de radiaciones, de las cuales, las células que realizan la fotosíntesis sólo pueden absorber un estrecho rango de longitudes de onda de la luz visible.

En la membrana de los tilacoides de los cloroplastos se localizan los fotosistemas I y II, que son los centros donde se agrupan los pigmentos fotosintéticos, capaces de captar la energía lumínica procedente del Sol.

Cada fotosistema posee una antena y un centro de reacción.

Antena: Los fotones son captados por pigmentos antena, principalmente clorofilas y carotenoides que absorben radiaciones con diferentes longitudes de onda, haciendo posible que se acumule suficiente energía para que la clorofila del centro de reacción pase a un “estado excitado” y pierda un electrón.

Centro de reacción: Formado por moléculas de proteínas que rodean a la clorofila A y la clorofila B y además por un aceptor primario de electrones.

En la clorofila excitada, uno de los electrones pasa a un nivel superior y es captado por un aceptor primario que queda reducido. La clorofila recupera el electrón que ha perdido gracias a la fotolisis del agua.

Como se estudiará en el apartado dedicado a la fotosíntesis, tras la reducción del aceptor primario de electrones, se sucede una cadena transportadora de electrones a favor del gradiente del potencial redox, es decir, cada componente de la cadena tiene un potencial redox menos negativo que el anterior.

Por un mecanismo bastante similar al que tiene lugar en la fosforilación oxidativa, se libera una energía que pone en marcha el flujo de H+ a través de complejos ATP sintasa situados en la membrana del tilacoide, activando así la fosforilación del ADP.

En la fotosíntesis, la obtención de ATP se denomina fotofosforilación.

Transporte de H y transporte de e- en el cloroplasto.

Transporte de H+ y transporte de e- en el cloroplasto. Fotofosforilación

https://es.wikipedia.org/wiki/Aceptor_de_electrones

https://es.wikipedia.org/wiki/Aceptor_de_electrones


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EN RESUMEN:

Cloroplastos y mitocondrias obtienen ATP mediante mecanismos muy similares:

Una cadena de transporte de electrones, integrada en una membrana, bombea H+ a través de dicha membrana a medida que los e- pasan a favor del gradiente de potencial redox.

De esta forma, las cadenas transportadoras de electrones, transforman la energía redox en fuerza motriz protónica.

En la misma membrana, hay un complejo ATP sintasa que acopla la fosforilación de ADP con la difusión de H+ a favor de su gradiente.

Otras similitudes:

Algunos de los transportadores de e- son citocromos (proteínas que contienen Fe), muy similares en cloroplastos y mitocondrias y los complejos ATP sintasa también son similares.

Diferencias:

La organización espacial de las membranas de ambos orgánulos es diferente: las mitocondrias bombean H+ desde la matriz hacia el espacio intermembrana, mientras que en los cloroplastos, los H+ son bombeados desde el estroma al interior de los tilacoides.

5. cÉlula eucariÓtica. funciÓn de … · el metabolismo de una célula heterótrofa consta de:...

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