Procesos Celulares Fundamentales: Transporte, Energía y Metabolismo

Difusión

Movimiento de moléculas (por ejemplo, de gas) en todas las direcciones desde regiones de alta concentración hacia regiones de menor concentración. Este proceso no necesita energía externa y es fundamental para el intercambio de gases y nutrientes a nivel celular.

Ósmosis

Tipo específico de difusión que implica el movimiento de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable (una membrana que permite el paso del agua pero restringe el de solutos). Ocurre entre dos soluciones de diferente concentración separadas por dicha membrana, moviéndose el agua desde la solución más diluida hacia la más concentrada.

Tipos de Soluciones (en relación a la célula)

• Solución Hipotónica: Medio externo menos concentrado en solutos que el interior celular (más diluido).
• Solución Hipertónica: Medio externo más concentrado en solutos que el interior celular.
• Solución Isotónica: Medio externo con la misma concentración de solutos que el interior celular.

Efectos en las Células

Medio Hipotónico

El agua entra en las células por ósmosis.

• Células animales: Se hinchan y pueden llegar a estallar (lisis celular) debido a la falta de una pared celular rígida.
• Células vegetales: La vacuola central se hincha, presionando el citoplasma contra la pared celular. Esto genera turgencia, pero la célula no estalla gracias a la resistencia de la pared celular.

Medio Hipertónico

El agua sale de las células por ósmosis.

• Células animales: Pierden agua, se arrugan y encogen (crenación).
• Células vegetales: El citoplasma se separa de la pared celular al perder agua la vacuola (plasmólisis).

En ambos tipos celulares, la pérdida excesiva de agua puede llevar a la muerte por deshidratación.

Metabolismo Celular

Conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren dentro de la célula para mantener la vida. Sus funciones principales son:

• Obtener energía química utilizable (ATP) a partir de nutrientes o de fuentes externas (luz solar).
• Convertir los nutrientes en las moléculas necesarias para la célula (materia prima).
• Sintetizar y degradar las biomoléculas requeridas para las funciones especializadas de la célula.

Se divide en dos procesos interconectados:

Catabolismo

Fase degradativa del metabolismo. Las moléculas nutritivas complejas (carbohidratos, lípidos, proteínas) se descomponen en moléculas más simples (ácido láctico, CO2, amoniaco), liberando energía que se almacena principalmente como ATP.

Anabolismo

Fase constructiva o de biosíntesis. Se utilizan moléculas precursoras simples y la energía del catabolismo (ATP) para sintetizar los componentes complejos de la célula (proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos, lípidos).

Transporte a Través de la Membrana

Mecanismos que permiten el paso de sustancias hacia dentro y fuera de la célula a través de la membrana plasmática.

Transporte Pasivo

Movimiento de sustancias a favor de su gradiente de concentración (de donde hay más a donde hay menos) o gradiente electroquímico. No requiere gasto de energía (ATP) por parte de la célula.

Difusión Simple

Paso directo de moléculas pequeñas y sin carga (o liposolubles) a través de la bicapa lipídica. Ejemplos: oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2), etanol, urea.

Difusión Facilitada

Movimiento de moléculas que no pueden atravesar fácilmente la bicapa lipídica (iones, moléculas polares como glucosa o aminoácidos). Requiere la ayuda de proteínas de membrana específicas (canales iónicos o proteínas transportadoras/permeasa).

Transporte Activo

Movimiento de sustancias en contra de su gradiente de concentración o electroquímico. Este proceso requiere un gasto de energía, generalmente en forma de ATP.

Transporte de Iones

Realizado por bombas iónicas, que son proteínas transportadoras que hidrolizan ATP para mover iones específicos contra su gradiente. Ejemplo clásico: la bomba de sodio-potasio (Na+/K+ ATPasa), que expulsa 3 iones Na+ e introduce 2 iones K+.

Transporte de Sustancias Grandes (Transporte en Masa)

Mecanismos para mover macromoléculas o partículas grandes a través de la membrana, implicando la formación de vesículas.

Endocitosis

Proceso de incorporación de material a la célula mediante la formación de vesículas a partir de la membrana plasmática.

• Pinocitosis: Incorporación de líquidos o solutos disueltos ("beber celular").
• Fagocitosis: Incorporación de partículas grandes, como bacterias o restos celulares ("comer celular").

Exocitosis

Proceso de liberación de material desde el interior de la célula hacia el exterior. Las vesículas que contienen el material se fusionan con la membrana plasmática, liberando su contenido.

ATP: La Moneda Energética Celular

El Adenosín Trifosfato (ATP) es la molécula principal que almacena y transporta energía química en las células para realizar trabajo. Los seres vivos incorporan energía del medio (luz solar, enlaces químicos de la materia orgánica) ya que no pueden crearla.

La energía se libera cuando el ATP se hidroliza (reacciona con agua), rompiendo uno de sus enlaces fosfato de alta energía para formar ADP (Adenosín Difosfato) y fosfato inorgánico (Pi). Una hidrólisis posterior puede formar AMP (Adenosín Monofosfato).

ATP + H2O → ADP + Pi + Energía

ADP + H2O → AMP + Pi + Energía

Formación de ATP (Fosforilación)

El ATP se regenera constantemente a partir de ADP y Pi, utilizando la energía obtenida de:

• Energía solar: Durante la fotosíntesis (fotofosforilación).
• Reacciones de oxidación de nutrientes: Durante la respiración celular y la fermentación (fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa).

Uso de ATP

La energía liberada por la hidrólisis del ATP se emplea en múltiples procesos celulares, como:

• Reacciones anabólicas o de biosíntesis (síntesis de proteínas, ADN, etc.).
• Movimiento celular (contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos).
• Transporte activo de sustancias a través de las membranas.
• Mantenimiento de la temperatura corporal (en endotermos).
• Transmisión de señales nerviosas.

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son, en su mayoría, proteínas que actúan como catalizadores biológicos, es decir, aceleran enormemente la velocidad de las reacciones químicas específicas que ocurren en los seres vivos, sin consumirse ni alterarse permanentemente en el proceso.

La sustancia sobre la que actúa una enzima se denomina sustrato.

Modo de Acción

1. La enzima se une específicamente a su sustrato en una región tridimensional llamada centro activo.
2. Se forma un complejo transitorio llamado complejo enzima-sustrato (ES).
3. La enzima facilita la transformación química del sustrato en uno o más productos (P).
4. Los productos se liberan del centro activo, y la enzima queda libre y sin cambios, lista para unirse a otra molécula de sustrato.

E + S ↔ ES → E + P

Propiedades

• Naturaleza proteica: La mayoría son proteínas globulares (aunque existen ARN con capacidad catalítica llamados ribozimas).
• Alta especificidad: Cada enzima suele catalizar un solo tipo de reacción y actuar sobre un sustrato específico o un grupo muy reducido de sustratos relacionados estructuralmente.
• No se consumen: Se recuperan intactas al final de la reacción.
• Sensibilidad a factores fisicoquímicos: Su actividad se ve afectada por la temperatura y el pH. Condiciones extremas (Tª altas, pH muy ácido o básico) pueden causar su desnaturalización, que implica la pérdida de su estructura tridimensional y, por tanto, de su función catalítica.
• Alta eficiencia: Aceleran las reacciones millones de veces en comparación con la reacción no catalizada.
• Regulables: Su actividad puede ser modulada por otras moléculas (activadores, inhibidores).

Incorporación y Gasto de Energía

La energía que los organismos absorben del medio se transforma y utiliza para mantener sus funciones vitales. El flujo energético básico es: Incorporación → Almacenamiento temporal (ej. ATP, glucógeno, almidón) → Utilización en funciones vitales.

Tipos de Nutrición

Según cómo obtienen la materia y la energía, los organismos se clasifican en:

Nutrición Autótrofa

Organismos capaces de sintetizar su propia materia orgánica compleja a partir de sustancias inorgánicas simples (CO2, H2O, sales minerales). Utilizan una fuente de energía externa:

• Fotosíntesis: Usan la energía de la luz solar (plantas, algas, cianobacterias).
• Quimiosíntesis: Usan la energía liberada en reacciones químicas de oxidación de compuestos inorgánicos (algunas bacterias).

Nutrición Heterótrofa

Organismos que obtienen la materia orgánica y la energía consumiendo materia orgánica previamente elaborada por otros seres vivos. Ejemplos: animales, hongos, protozoos y la mayoría de las bacterias.

Fotosíntesis: Captura de Energía Lumínica

Proceso metabólico fundamental realizado por organismos autótrofos fotosintéticos, mediante el cual captan la energía luminosa y la transforman en energía química estable, almacenada en los enlaces de moléculas orgánicas (principalmente glucosa).

• Producen compuestos orgánicos a partir de materia prima inorgánica: agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y sales minerales.
• Se realiza en los cloroplastos, orgánulos celulares que contienen pigmentos fotosintéticos, siendo la clorofila el principal.
• Como subproducto importante, se libera oxígeno (O2) a la atmósfera, procedente de la descomposición del agua.

Elementos que Intervienen

• Materia prima: Agua, Dióxido de Carbono, Sales minerales.
• Fuente de energía: Luz solar.
• Pigmentos: Clorofila (principal), carotenoides, ficobilinas.
• Lugar: Cloroplastos (en células eucariotas).

Fases de la Fotosíntesis

Fase Luminosa (Dependiente de la Luz)

Ocurre en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos. Requiere luz directa.

• La energía luminosa incide sobre los pigmentos (clorofila) y excita electrones.
• Esta energía se utiliza para:
• Fotólisis del agua: Romper moléculas de agua (H2O) liberando oxígeno (O2), protones (H+) y electrones.
• Síntesis de ATP: La energía de los electrones excitados se usa para generar ATP (fotofosforilación).
• Síntesis de NADPH: Los electrones y protones se utilizan para reducir NADP+ a NADPH (poder reductor).

Productos: ATP, NADPH y O2.

Fase Oscura (Ciclo de Calvin - Independiente de la Luz)

Ocurre en el estroma de los cloroplastos. No requiere luz directamente, pero sí los productos de la fase luminosa (ATP y NADPH).

• Fijación del Carbono: El CO2 atmosférico se incorpora a una molécula orgánica preexistente (RuBP).
• Reducción: Utilizando la energía del ATP y el poder reductor del NADPH, el carbono fijado se reduce para formar azúcares simples (gliceraldehído-3-fosfato).
• Regeneración: Parte de los azúcares se usan para regenerar la molécula inicial (RuBP) y continuar el ciclo; otra parte se utiliza para sintetizar glucosa y otras moléculas orgánicas.

Producto principal: Glucosa (C6H12O6) y otras moléculas orgánicas.

Utilización de la Glucosa Producida

La glucosa formada puede ser:

• Utilizada directamente en la respiración celular para obtener ATP.
• Almacenada como reserva energética (ej. almidón en plantas).
• Utilizada para la síntesis de otras sustancias orgánicas necesarias (celulosa, lípidos, aminoácidos, etc.).

Respiración Celular: Liberación de Energía

Proceso catabólico mediante el cual las células obtienen energía química (ATP) a partir de la oxidación controlada de nutrientes orgánicos (principalmente glucosa).

Respiración Aeróbica

Es el tipo más común y eficiente. Requiere oxígeno (O2) como aceptor final de electrones.

• Implica la oxidación completa de los nutrientes orgánicos hasta productos finales inorgánicos de baja energía: dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).
• Libera una gran cantidad de energía, capturada en forma de ATP (aproximadamente 30-32 ATP por molécula de glucosa).
• Ocurre en varias etapas: glucólisis (citosol), ciclo de Krebs (matriz mitocondrial) y fosforilación oxidativa (membrana mitocondrial interna en eucariotas).

Uso de la Energía Liberada

La energía (ATP) obtenida se utiliza para todas las actividades celulares y del organismo:

• Animales: Contracción muscular, transmisión nerviosa, transporte activo, síntesis de moléculas, mantenimiento de la temperatura corporal.
• Plantas: Absorción activa de sales minerales del suelo, transporte de savia, crecimiento, síntesis de compuestos.
• Todos los seres vivos: División celular, movimiento intracelular, mantenimiento de estructuras, etc.

Relación con la Temperatura Corporal

Parte de la energía liberada en la respiración se disipa como calor.

• Animales Endotermos (aves, mamíferos): Poseen mecanismos para retener gran parte de este calor metabólico y mantener una temperatura corporal constante y relativamente alta, independientemente del ambiente.
• Animales Ectotermos (reptiles, anfibios, peces, invertebrados): Su temperatura corporal depende en gran medida de la temperatura ambiental. El calor generado en la respiración se disipa rápidamente y no contribuye significativamente a mantener una temperatura corporal elevada y constante.

Fermentación: Obtención de Energía sin Oxígeno

Proceso catabólico anaeróbico (ocurre en ausencia de oxígeno) para obtener energía a partir de nutrientes orgánicos. Es realizado por muchos microorganismos (levaduras, bacterias) y también puede ocurrir en células de organismos superiores en condiciones de anaerobiosis (ej. células musculares durante ejercicio intenso).

Características Generales

• Implica la oxidación incompleta de los nutrientes orgánicos (generalmente glucosa).
• El aceptor final de electrones es una molécula orgánica producida en la propia ruta metabólica.
• Libera una cantidad de energía mucho menor que la respiración aeróbica (solo 2 ATP por molécula de glucosa, obtenidos en la glucólisis).
• Los productos finales son compuestos orgánicos que todavía contienen energía química almacenada.

Tipos de Fermentación

Fermentación Alcohólica

• Realizada principalmente por levaduras (ej. Saccharomyces cerevisiae) en condiciones anaeróbicas.
• La glucosa se degrada a piruvato (glucólisis), y este se convierte en etanol (alcohol etílico) y dióxido de carbono (CO2).
• Se obtiene ATP durante la glucólisis.
• Aplicaciones industriales: producción de pan (el CO2 hincha la masa), vino, cerveza y otros alcoholes.

Fermentación Láctica

• Realizada por ciertas bacterias (ej. Lactobacillus, Streptococcus) y por las células musculares animales cuando el aporte de oxígeno es insuficiente.
• La glucosa se degrada a piruvato (glucólisis), y este se reduce directamente a ácido láctico.
• Se obtiene ATP durante la glucólisis.
• Aplicaciones industriales: producción de yogur, queso y otros derivados lácteos (por bacterias).
• En músculos: la acumulación de ácido láctico contribuye a la fatiga muscular.