Metabolismo Celular

El metabolismo celular es el conjunto de procesos anabólicos y catabólicos que ocurren dentro de la célula, a través de los cuales el organismo intercambia materia y energía con el medio.

Proceso Catabólico

El proceso catabólico es un proceso de desintegración, en el cual una sustancia o molécula compleja se degrada en otras más simples. Se libera energía, que se almacena en forma de ATP. Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades vitales (transporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas). Por ejemplo, en la respiración celular la glucosa se transforma en CO₂.

Proceso Anabólico

El proceso anabólico es un proceso de construcción, con el que se forma una sustancia compleja a partir de otras más simples. Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces, por lo que se requiere un aporte de energía que provendrá del ATP. Son reacciones endergónicas que requieren un aporte de energía que procede de la hidrólisis del ATP. Por ejemplo, en la fotosíntesis, el CO₂ y el H₂O se unen para formar glucosa.

Reacción Exergónica

Una reacción exergónica libera energía; es decir, los reactivos tienen más energía que los productos. Emiten algo de su energía en forma de calor.

Reacción Endergónica

Una reacción endergónica absorbe energía; los productos tienen más energía que los reactivos. Requieren energía de alguna fuente externa.

ATP (Trifosfato de Adenosina)

El ATP es una molécula compuesta por la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y tres grupos fosfato, portadora de energía cuya función principal es transferir energía de la reacción exergónica que la libera a la reacción endergónica que la consume en distintos lugares dentro de la célula. Estas moléculas son inestables y se utilizan temporalmente. No se utilizan para el intercambio energético entre células ni para almacenar energía a largo plazo. La energía liberada en las reacciones exergónicas celulares se almacena en el ATP, que se descompone en ADP y fosfato cuando se requiere la energía (en los procesos anabólicos).

Reacciones Acopladas

Las reacciones acopladas enlazan reacciones endergónicas y exergónicas. Las reacciones endergónicas requieren un aporte neto de energía, que obtienen de la energía liberada por las reacciones exergónicas. En una reacción acoplada, la reacción exergónica proporciona la energía necesaria para que se efectúe una reacción endergónica. Por ejemplo, la energía producida por reacciones exergónicas (como la descomposición química de azúcares) se utiliza para impulsar reacciones endergónicas (como la actividad cerebral o la contracción muscular). Las reacciones exergónicas y endergónicas se pueden realizar en distintos lugares dentro de la célula, y la energía se transfiere de un lugar a otro mediante moléculas portadoras de energía, como el ATP.

• Si se mantiene la cantidad de enzimas constante y se aumenta la cantidad de sustrato, la actividad enzimática aumentará hasta un punto de saturación, a partir del cual, aunque se agregue más sustrato, la actividad enzimática no aumentará.
• Las enzimas son específicas debido al mecanismo de llave y cerradura: la enzima debe tener la forma complementaria al sustrato.
• Las enzimas no modifican el nivel de energía de los sustratos y los productos, ya que solo interfieren en sus intermediarios.
• Las enzimas pueden ser utilizadas nuevamente después de una reacción. Las enzimas actúan tanto en altas como en bajas concentraciones. No todas las enzimas son proteínas (ej. ARN).
• La actividad enzimática puede ser regulada. Hay inhibidores que impiden que el sustrato actúe con la enzima y activadores, que aumentan la actividad enzimática.
• El metanol (reactivo) es un líquido inofensivo, pero sus metabolitos son tóxicos. Este alcohol es fragmentado por la deshidrogenasa (enzima) que produce formaldehído (producto), el cual puede producir ceguera. Dicha enzima también metaboliza el alcohol etílico (bebidas) para transformarlo en aldehído y NADPH (producto). Se agrega el alcohol etílico ya que existe un mecanismo de competencia por el cual las dos sustancias «compiten» por ser transformadas por la enzima y ambas se transforman en menor cantidad.

Membrana Plasmática

La membrana plasmática es una capa doble de fosfolípidos que forman una matriz fluida en la que están incrustadas diversas proteínas. Con carbohidratos unidos para formar glucoproteínas. Los fosfolípidos aíslan las membranas, mientras que las proteínas regulan el intercambio de sustancias.

Funciones de la Membrana Celular

1. Aislar el contenido de la célula del medio externo (citosol, fluido intracelular donde están todos las organelas, y fluido extracelular), permitiendo los gradientes de concentración de sustancias disueltas.
2. Regular el intercambio de sustancias esenciales entre la célula y el fluido extracelular.
3. Permitir la comunicación con otras células.

Proteínas en la Membrana

• Receptoras: Tienen un sitio de unión para una molécula específica (ej. hormona de glándulas suprarrenales). Cuando la molécula se une al receptor, este cambia de forma y se producen reacciones químicas (ej. contracciones más fuertes en el músculo cardíaco).
• De reconocimiento: Glucoproteínas localizadas en la superficie de las células que sirven como etiquetas de identificación (ej. células del sistema inmunitario reconocen un virus invasor y lo destruyen por glucoproteínas específicas).
• Enzimas: Proteínas que promueven reacciones químicas que sintetizan o rompen moléculas biológicas.
• De unión: Sostienen las membranas celulares, vinculando la membrana plasmática con el citoesqueleto.
• De transporte: Regulan el movimiento de las moléculas hidrofílicas a través de la membrana plasmática. Algunas son de canal, con poros centrales que permiten que iones o moléculas de agua pasen la membrana por gradiente de concentración. Otras son portadoras, con sitios de unión que pueden sujetar temporalmente las moléculas específicas y luego cambiar de forma para que pasen.

Movimiento Pasivo

El movimiento pasivo es la difusión de sustancias a través de las membranas celulares. No requiere gasto de energía; los gradientes impulsan el movimiento y determinan la dirección.

• Difusión simple: El O₂, el CO₂ y moléculas solubles en lípidos pueden difundirse directamente a través de los fosfolípidos. Una gran cantidad de moléculas de agua chocan contra la membrana celular permanentemente. Como los fosfolípidos no están unidos entre sí, cantidades muy pequeñas de moléculas de agua logran filtrarse a través de ellos y, en un proceso muy lento, llegan al otro lado del fosfolípido.
• Difusión facilitada por canal proteico: Los canales permiten el paso a algunas moléculas solubles en agua e iones.
• Difusión facilitada por proteína portadora: Los aminoácidos, azúcares y proteínas entran en la proteína portadora, que tiene un sitio de unión que une moléculas específicas del citosol o del fluido extracelular. La proteína cambia de forma y permite el paso de la molécula al otro lado de la membrana.
• Ósmosis: Difusión de agua a través de membranas selectivamente permeables mediante difusión simple o facilitada por las acuaporinas. El agua pura tiene la concentración de agua más alta. Las soluciones tienen una menor concentración de agua; además, las sustancias disueltas forman puentes de hidrógeno con el agua e impiden que esta se desplace a través de la membrana permeable al agua. Por lo tanto, a mayor concentración de sustancias disueltas, menor concentración de agua desplazable. Como una solución con mayor concentración de sustancias disueltas atrae al agua a través de la membrana, se dice que esa solución tiene una mayor fuerza osmótica que la otra, que tiene una menor fuerza osmótica. La tonicidad es la comparación de la concentración de dos soluciones separadas por una membrana. Las soluciones son isotónicas cuando tienen la misma concentración; si no lo son, la de menor concentración es hipotónica y la de mayor concentración es hipertónica.

• El agua pasa gracias al gradiente de concentración, y va del lado con una alta concentración de moléculas de agua libres al lado con una menor concentración de moléculas de agua libres. Si se coloca un glóbulo rojo en agua pura, se hincha hasta reventar.
• Las sustancias disueltas reducen la cantidad de agua libre.

El contenido de la vacuola de una célula es hipertónico con respecto al citosol, que, a su vez, es hipertónico en relación con el fluido extracelular. Por lo tanto, el agua entra en el citosol y después en la vacuola por ósmosis. La presión de la vacuola, llamada presión de turgencia, empuja el citosol contra la pared celular, dándole soporte a las hojas de una planta. Si no se riega la planta, la vacuola y el citosol pierden agua, por lo que se contrae la vacuola y se encoge la membrana plasmática, alejándose de la pared celular, en un proceso llamado plasmólisis. Es por esto que se marchita la planta.

Transporte Activo

En el transporte activo, las proteínas de la membrana utilizan energía celular para pasar moléculas o iones al otro lado de la membrana plasmática, generalmente en contra de los gradientes. Las proteínas tienen dos sitios activos: uno se une a una molécula o ión determinado (ej. Na, K, Ca) y el otro se une a una molécula de ATP, que le provee energía. La proteína altera su forma y desplaza a la molécula o ión que transportaba al otro lado de la membrana. En este proceso se libera uno de los grupos fosfato del ATP, quedando ADP. Por ejemplo: la absorción de minerales en el intestino.

Endocitosis

Las células pueden obtener partículas de su ambiente externo a través de un proceso llamado endocitosis. En este proceso, la membrana plasmática absorbe una gota o partícula, estrangula la bolsa membranosa y forma una vesícula, que pasa al citosol. Hay tres tipos de endocitosis: pinocitosis, endocitosis mediada por receptores y fagocitosis.

• Pinocitosis: Una zona de la membrana plasmática forma una pequeña depresión que se va haciendo más profunda a medida que se llena de líquido extracelular y después termina estrangulándose y pasando al citosol en una vesícula. Ingresa material con la concentración del fluido extracelular.
• Endocitosis mediada por receptores: Mediante este proceso, la célula puede ingerir moléculas específicas. En la membrana plasmática hay proteínas receptoras que tienen un sitio de unión a una molécula particular. Estas proteínas se encuentran en depresiones llamadas fosas recubiertas. Si una proteína de una fosa recubierta entra en contacto con la molécula correcta, la fosa recubierta se hunde hasta que se estrangula y pasa al citosol como una vesícula. Ingresa al citosol la molécula captada, la proteína receptora y un poco de fluido extracelular.
• Fagocitosis: Mediante este proceso se captan partículas grandes o microorganismos enteros. La célula utiliza extensiones llamadas seudópodos, que encierran a una partícula fusionando sus extremidades y la pasan al citosol en una vesícula llamada vacuola alimentaria. Este método lo utilizan los glóbulos blancos con las bacterias o la ameba con el paramecio.

Exocitosis

La exocitosis es el movimiento de materiales al exterior de la célula. La membrana plasmática encierra el material en un saco membranoso que se desplaza a la superficie de la célula, se fusiona con la membrana plasmática y se abre hacia el exterior a través de una vesícula.