metabolismo celular

Ciencias Naturales

El Metabolismo

Llamamos metabolismo al conjunto de las transformaciones físicas y químicas que se producen en el interior de un organismo con el fin de mantener su estructura y el correcto desarrollo de todas sus funciones, como la nutrición, reproducción, relación, intercambio, etc.

Todas estas transformaciones que conforman el metabolismo (transformaciones metabólicas) se dividen en dos grupos, las reacciones anabólicas y las catabólicas.

Las reacciones catabólicas se caracterizan por liberar energía y por ser procesos de degradación; es decir que partiendo de moléculas complejas se llega a obtener moléculas más simples y energía.

En cambio las reacciones anabólicas se caracterizan porque en ellas se absorbe energía y son procesos de síntesis (construcción), o sea que de moléculas sencillas se llega a obtener moléculas más complejas absorbiendo energía.

La fotosíntesis

Como sabemos, los seres vivos autótrofos (aquellos capaces de producir su propio alimento) se encuentran en la base de toda cadena alimentaria. Esto significa que el proceso por el cual estos seres producen su propio alimento es fundamental para todo el resto de los seres vivos.

Profesor Itinerante: Fabrizio Cavero (FC6) pg. 1

Metabolismo

Catabolismo Anabolismo

Absorción de energía y síntesis de sustancias.

Liberación de energía y degradación de

sustancias.

Este proceso es llamado fotosíntesis (foto = luz, síntesis= construcción) y consiste básicamente en la elaboración de moléculas orgánicas, principalmente glucosa, aprovechando la energía de la luz solar, dióxido de carbono y agua.

La fotosíntesis se lleva a cabo en un tipo especial de organela, los cloroplastos, que se encuentran presentes en algunas células de las plantas y de las algas, o sea en el interior de las células eucariotas autótrofas. Pero este tipo de organismos no son los únicos capaces de llevar a cabo la fotosíntesis, también existen algunas bacterias capaces de hacerlo. En este caso no se lleva a cabo dentro de los cloroplastos dado que las bacterias son seres unicelulares procariotas, o sea que no tienen organelas.


Célula vegetal

Cloroplasto en detalle

Las granas son grupos de tilacoides apilados. Estos grupos se

encuentran comunicados entre sí.

La fotosíntesis se desarrolla en dos etapas, la etapa fotodependiente o lumínica y la etapa fotoindependiente o etapa oscura.

Etapa fotodependiente

Durante esta etapa se aprovecha la energía de la luz solar para romper las moléculas de agua (H2O) que se han obtenido del ambiente, y se liberan lo átomos de oxígeno de estas moléculas al ambiente nuevamente en forma de gas (O2).

La etapa fotodependiente se desarrolla en los tilacoides, ubicados en el interior de los cloroplastos, en los que se puede encontrar la clorofila, encargada de captar la luz solar.

Etapa fotoindependiente

Al no depender de la luz solar, los procesos que se desarrollan durante esta etapa de la fotosíntesis ocurren tanto durante el día como la noche. Estos procesos en conjunto reciben el nombre de Ciclo de Calvin.

Este conjunto de procesos no se desarrolla en los tilacoides sino en el estroma del cloroplasto. Durante este ciclo, se utiliza el dióxido de carbono (CO2) que la planta a obtenido del medio ambiente que la rodea, para sintetizar una molécula de tres átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno. Luego estas moléculas se transformarán en glucosa (C6H12O6), principal producto de todo el proceso de fotosíntesis.

Parte de esta glucosa, el alimento básico de toda cadena alimentaria, será utilizada por la planta para obtener la energía que le permita desarrollar todos sus procesos metabólicos; el exceso de glucosa producido será almacenado en forma de almidón (molécula de gran tamaño formada por la unión de cientos o miles de moléculas de glucosa).

Si hacemos un balance que resuma lo ocurrido durante todo el proceso de fotosíntesis, lo podemos expresar mediante la siguiente ecuación química:

Es decir que durante la fotosíntesis, se utilizan seis moléculas de agua y seis moléculas de dióxido de carbono para obtener una molécula de glucosa y seis de oxígeno.


Los pigmentos fotosintéticos son

sustancias capaces de captar la energía de la luz solar, la clorofila (de color verde) no es el único de ellos, también existen

otros pigmentos como las xantofilas (de color

amarillo) y los carotenos

6 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2

Energía de la luz solar

La Obtención de Energía

Si bien la producción del nutriente básico es fundamental, de nada serviría simplemente sintetizarlo o producirlo si luego no se pudiera aprovechar la energía química que queda acumulada en las uniones entre los átomos de la glucosa u otro nutriente.

Para poder obtener esta energía y utilizarla para desarrollar todos lo procesos que requieren los seres vivos para realizar sus funciones existe un proceso básico: la respiración celular.

La Respiración Celular

La respiración celular es el proceso mediante el cual la célula logra liberar, de manera controlada, la energía contenida en las moléculas de glucosa que obtiene. Este proceso se da en tres etapas principales: la glucólisis, el Ciclo de Krebs y la cadena respiratoria.

La primera de estas etapas, la glucólisis, se lleva a cabo en el citoplasma de la célula y consiste en romper la molécula de glucosa (con seis átomos de carbono) en dos moléculas de piruvato (tres átomos de carbono cada una) y en dióxido de carbono (CO2). Este piruvato, se combina con otras dos sustancias: acetilo y coenzima A, formando lo que se llama acetil-coenzima A (acetil-Co A). como resultado de este proceso se obtienen dos moléculas de ATP, disponibles para la célula.

Luego el acetil-Co A, ingresa al interior de la mitocondria, y en la matriz mitocondrial se desarrolla una compleja serie de reacciones llamada Ciclo de Krebs, que no interesa conocer en detalle.

En la última de las etapas, la cadena respiratoria, Las sustancias que se produjeron durante el ciclo de Krebs interactúan con otras que se encuentran en la membrana interna de la mitocondria (en las crestas de la misma) y con el oxígeno que ha ingresado a la célula, para producir agua (H2O).


El ATP

El ATP (adenosín tri fosfato), es un tipo

particular de molécula que se puede considerar

como un depósito de pequeñas cantidades de energía contenidas en su interior. La característica de la energía acumulada

en estas moléculas es que se encuentra

disponible para ser utilizada rápida y

fácilmente por la célula que la ha producido.

Guía de Lectura 1¿Cuáles son las sustancias necesarias para poder llevar a cabo el proceso de fotosíntesis?¿Cuál es el principal producto de este proceso?Clasificarías a la fotosíntesis ¿como un proceso anabólico o catabólico? Justificá tu respuesta.Las plantas y demás seres autótrofos ¿realizan la fotosíntesis únicamente durante el día? Explicar.¿Qué ocurre con la glucosa producida?Averiguá en qué tipo de alimentos podemos encontrar almidón como nutriente principal.

Como resultado de las dos etapas desarrolladas en el interior de la mitocondria se obtienen 34 moléuclas de ATP.

Si hacemos un balance que resuma lo ocurrido durante todo el proceso de respiración celular, sin detallar lo que sucede en cada etapa, lo podemos expresar mediante la siguiente ecuación química:

Esto nos indica que para realizar el proceso completo de respiración celular se requiere una molécula de glucosa y seis de oxígeno para obtener seis de dióxido de carbono, seis de agua y generar un total de treinta y seis moléculas de ATP.


C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

Célula animal

Mitocondria en detalle

Como vemos, se requiere de oxígeno en la última de las etapas de la respiración celular, es por esto que este proceso se llama respiración aeróbica, porque requiere de este gas para poder llevarse a cabo.

Pero este tipo de respiración celular, la aeróbica, no es la única dado que existen gran variedad de seres vivos que no requieren oxígeno para la obtención de ATP a partir de la glucosa. Las bacterias en su gran mayoría y las levaduras son ejemplo de este tipo de seres vivos.

En este caso, dada la ausencia de oxígeno, el proceso se limita a la primera de las etapas, la glucólisis, es decir se degrada la molécula de glucosa, y se generan dos moléculas de ATP. La diferencia consiste en que luego de formarse las dos moléculas de piruvato, en vez de transformarse en acetilo, se pueden transformar, según sea el tipo de célula en etanol (alcohol etílico) o en ácido láctico. Al no utilizarse oxígeno en este tipo de respiración, se la denomina respiración anaeróbica o fermentación. Si el producto final del proceso es el etanol, se lo denomina fermentación alcohólica; mientras que si se produce ácido láctico se llama fermentación láctica.

Así el balance general de ambos tipos de fermentación lo podemos expresar mediante las siguientes ecuaciones químicas:


La Respiración Celular

Glucosa

Acetilo

Acetil-Co A

Coenzima A

Piruvato +

Agua (H2O)

2 ATP

34 ATP

CO2

+

+

Glucólisis(Citoplasma

)

Cadena Respirator

ia(membrana

interna)

Ciclo de Krebs(matriz

mitocondrial)

Fermentación Alcohólica

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATPEtanolGlucosa

Dióxido de carbono

En este proceso a partir de una

molécula de glucosa, se obtienen dos

moléculas de etanol, dos de dióxido de

carbono y se generan dos moléculas de ATP.


El Ácido Láctico

Algunas células de nuestro propio cuerpo, la de los músculos esqueléticos, es decir la de

aquellos músculos que nos permiten nuestros movimientos, ante una exigencia energética, no

llegan a ser abastecidas por nuestro sistema circulatorio del oxígeno que requieren para la

respiración aeróbica. Pero tienen la capacidad de poder también realizar la fermentación láctica

(anaeróbica). El ácido láctico producido durante estos esfuerzos, se acumula en los músculos,

produciendo dolores y calambres.

Fermentación Láctica

C6H12O6 2 C3H6O3 + 2 ATPGlucosa Ácido láctico

En este proceso a partir de una

molécula de glucosa, se obtienen dos

moléculas de ácido láctico y se generan

dos moléculas de ATP.

Un Dato Curioso

Como vimos, durante la etapa fotodependiente de la fotosíntesis, la planta libera oxígeno al medio ambiente. Durante la etapa fotoindependiente, absorbe el dióxido de carbono del aire que la rodea. Considerando estos datos sería conveniente tener plantas en el interior de nuestros dormitorios dado que durante la noche las plantas absorben el dióxido de carbono que exhalamos; lo que haría que el aire nos resulte menos “viciado”.Pero debemos tener en cuenta que el proceso de respiración aeróbica se lleva a cabo independientemente de la presencia o no de luz solar, y durante éste, se absorbe oxígeno y se libera dióxido de carbono.Si se hace un balance de ambos procesos durante la noche, es mayor la cantidad de oxígeno absorbida por la planta que la de dióxido de carbono; por lo que en definitiva nos estaría quitando el oxígeno mientras dormimos.Por eso es que se suele recomendar no tener plantas en nuestros dormitorios.

Entre los tantos organismos capaces de realizar la fermentación, se encuentran las levaduras. El hombre las ha utilizado desde la antigüedad para elaborar productos como el pan y el vino.

En el caso de las levaduras utilizadas para la elaboración de estos productos, estos microorganismos realizan la fermentación alcohólica. En el caso de la producción de pan, las levaduras se añaden en forma intencional a la masa, mientras que en el caso del vino, viven en la superficie misma de la uva.

También son utilizadas en la elaboración de muchísimos otros productos.


Levadura

Cualquiera de los diversos hongos microscópicos unicelulares que son

importantes por su capacidad para realizar la fermentación de hidratos de carbono, entre ellos la glucosa, produciendo

distintas sustancias. Las levaduras son abundantes en

la naturaleza, y se encuentran en el suelo y

Guía de Lectura 2¿Cuáles son las sustancias necesarias para poder llevar a cabo el proceso de respiración aeróbica? ¿y el de fermentación?En cuanto al rendimiento en la producción de energía, ¿Cuál de los procesos crees que es más eficiente? Explicar.Clasificarías a la respiración ¿como un proceso anabólico o catabólico? Justificá tu respuesta.¿Los procesos de respiración son llevados a cabo por los seres autótrofos, los heterótrofos o ambos tipos? Justificar.¿En qué organela celular se lleva a cabo la totalidad de la respiración aeróbica? Cuando se prepara pan, utilizando levadura ¿por qué se formarán las burbujas que paraecen hacer crecer la masa? ExplicarConsiderando que el vino es simplemente jugo de uvas tratado de una maner especial, sin agregados ¿Por qué si el jugo de uvas no contiene alcohol el vino si? Explicar.

La Membrana Celular o Plasmática.

Es evidente que todas las sustancias necesarias y las producidas en los procesos metabólicos que estudiamos anteriormente; además de otra gran cantidad indispensable para otros procesos; de algún modo debe poder ingresar y salir de la célula. En este ingreso y salida de sustancias juega un papel fundamental la membrana plasmática o celular.

Es la membrana que rodea cada célula y la separa del medio exterior, permite el paso de diversas sustancias del exterior al interior y viceversa. Pero además de permitir esta entrada y salida de sustancias, las regula, es decir que de algún modo selecciona aquello que se dejará pasar y lo que no se dejará.

Es por esta propiedad que se dice que es una membrana permeable selectiva.A la compleja estructura de esta membrana se la suele llamar de mosaico fluído,

básicamente está constituída por una doble capa de fosfolípidos, colesterol, glúcidos y proteínas, cada una de estas moléculas especiales cumple o colabora con alguna función específica.


Doble capa de fosfolípidos

El Paso de las Sustancias a través de la Membrana Celular

Existen diversas formas en que las sustancias necesarias para la célula, tanto como sus productos o desechos pueden atravesar la membrana. A estas formas las podemos clasificar en dos grupos principales: el transporte pasivo y el transporte activo.

La principal característica del transporte pasivo es que no requiere gasto de energía por parte de la célula, mientras que en el transporte activo se debe gastar energía para poder ingresar o sacar sustancias de la célula.

Transporte Pasivo

La difusión es el movimiento de moléuclas de una determinada sustancia, desde el lugar en el que se encuentran más concentradas hacia el lugar donde están menos concentradas. Es decir las moléuclas de la sustancia se desplazan a favor del gradiente de concentración.

Un ejemplo muy sencillo de este fenómeno lo podemos observar colocando algún tipo de colorante en un recipiente que contiene agua:

Esto es lo que ocurre con muchas moléculas que atraviesan la membrana plasmática. Siempre van desde la zona donde se encuentran más concentradas hacia donde están más diluidas.


Muy alta concentración del

colorante

Dirección en la que fluyen las

moléculas del colorante

El colorante ya se ha distribuido de manera uniforme

Se llama gradiente de concentración a la

dirección en la que la concentración de alguna sustancia

disminuye.

Las moléculas que logran atravesar la membrana mediante difusión, son las de menor tamaño, los gases como el oxígeno y el dióxido de carbono. Pero en el caso especial en el que las moléculas que atraviesan la membrana sean de agua se llama al proceso ósmosis; pero en realidad no tiene diferencia con lo que hemos visto sobre difusión.

Pero fuera del interior celular (el espacio extracelular) se encuentran otra gran cantidad de moléculas que por su tamaño no pueden ingresar mediante difusión y que resultan indispensables para la célula, como por ejemplo la glucosa. En este caso la forma en la que ingresan se denomina transporte o difusión facilitada.

También estamos hablando de un proceso en el que no se requiere gasto de energía para permitir el ingreso de las moléculas, por lo que seguimos estando frente a un transporte pasivo.

En el pasaje de estas sustancias, como la glucosa, intervienen las proteínas asociadas a la bicapa lipídica de la membrana plasmática.


Moléculas de glucosa

Medio Extracelular

Medio Intracelular

Transporte Facilitado

Transporte Activo

Como ya mencionamos en este tipo de transporte se requiere del gasto de energía por parte de la célula para incorporar moléculas. Este tipo de transporte se requiere cuando se pretende incorporar sustancias en contra del gradiente de concentración, o lo que es lo mismo desde donde están menos concentradas hacia donde están más concentradas.

Endocitosis y Exocitosis

Pero no todo lo que la célula necesita incorporar puede hacerse mediante alguno de los procesos de transporte mencionados, muchas veces se requiere incorporar grandes cantidades de una determinada sustancia o incluso otras células enteras.

Entonces se utilizan otros mecanismos; la endocitosis y la exocitosis.

La endocitosis es el mecanismo por el cual la célula incorpora estas moléculas de gran tamaño a su interior. Lo hace englobándolas con su membrana plasmática, formando paulatinamente una bolsa o vesícula que contiene a la sustancia, que más tarde se desprende de la membrana y se introduce en el medio intracelular.

En los caso en que la endocitosis se utiliza para incorporar sustancias sólidas, se denomina fagocitosis, mientras que si se incorpora algún tipo de líquido se denomina pinocitosis.

La exocitosis es justamente el proceso contrario; es decir una vesícula que contiene algún desecho celular o alguna sustancia que se requiere enviar fuera del medio celular, entra en contacto con la membrana plasmática, se abre y libera su contenido al medio extracelular.


Vesícula que contiene las sustancias

incorporadas

Endocitosis

metabolismo celular

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