Intercambio de Materia entre la Célula y el Medio

Las células intercambian constantemente materia con el medio o con las células que las rodean, ya que necesitan nutrientes, agua y sales minerales.

1. Difusión

Las moléculas de un gas, un líquido o las sustancias disueltas se mueven continuamente en todas direcciones, desde una región más concentrada a una menos concentrada, hasta que la concentración es la misma en todas partes.

2. Osmosis

Difusión de moléculas de agua a través de una membrana semipermeable.

• Hipertónica: Parte con más concentración.
• Hipotónica: Partes con menos concentración.
• Isotónicas: Las dos partes tienen la misma concentración.

3. Transporte Activo

Las células incorporan o expulsan algunas sustancias transportándolas a través de la membrana desde una región de baja concentración a una de alta concentración. Es un proceso que requiere energía.

4. Endocitosis y Exocitosis

Solo iones y pequeñas moléculas (CO2, O2, H2O, glucosa, aminoácidos…) pueden atravesar la membrana plasmática y entrar y salir de las células por difusión o transporte activo.

• Endocitosis: Las células incorporan macromoléculas y partículas del medio.
• Exocitosis: Las células liberan macromoléculas y partículas al exterior.

Introducción al Metabolismo

Todas las actividades de una célula necesitan energía para crecer, transportar, moverse, reproducirse… Estas actividades implican reacciones químicas que constituyen el metabolismo.

1. Catabolismo

La oxidación de los nutrientes orgánicos los convierte en más pequeños y se libera energía.

2. Anabolismo

Moléculas pequeñas y sencillas se transforman en moléculas más grandes, lo que requiere energía del catabolismo. Un ejemplo es la unión de glucosa para formar glucógeno.

3. Características de las Reacciones Metabólicas

• Catalizador: Sustancia que facilita una reacción química sin consumirse durante el proceso.
• Enzimas: Todas las reacciones metabólicas están caracterizadas por enzimas, que aumentan la velocidad.
• Rutas: Se organizan en rutas, es decir, el producto de una reacción sirve como sustrato de la siguiente.
• Energía: Los desprendimientos o consumos de energía están adaptados a la síntesis o hidrólisis de ATP y hay una pequeña cantidad que se pierde en forma de calor.
• Reacciones de Oxidación-Reducción: Los electrones pasan de un átomo o molécula a otro. La fotosíntesis y la respiración son reacciones de oxidación-reducción.

El ATP

Todos los seres vivos deben incorporar energía del medio, ya que no podemos crearla. Los productores utilizan la luz y la incorporan en los enlaces químicos de la materia orgánica que fabrican mediante la fotosíntesis. El resto de los seres vivos toman la energía contenida en la materia orgánica de los alimentos. En el interior de la célula, la energía se almacena durante algún tiempo en el adenosintrifosfato o ATP. El ATP actúa como transportador de energía química.

Enzimas

Catalizadores biológicos que facilitan las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos. Aumentan la velocidad de una reacción química. El enzima actúa sobre el sustrato. Se añade -asa al sustrato sobre el que actúa el enzima, por ejemplo: proteínas => proteasas.

1. Modo de Acción

Los enzimas se unen temporalmente a los sustratos formando enzima-sustrato. Luego se rompen, liberando el producto y recuperando el enzima intacto, que puede volver a actuar (E+S => Complejo E-S => E+P).

Centro Activo: Pequeña parte donde tiene lugar la unión, hay aminoácidos encargados de formar el complejo ES y otros de la fase catalítica.

2. Principales Propiedades de los Enzimas

• Químicamente son proteínas.
• Son específicos, es decir, cada enzima cataliza solo una reacción particular o un tipo de reacciones.
• No se consumen en la reacción, pueden utilizarse muchas veces.
• La actividad se pierde por el calor.
• Son sensibles a los cambios de pH, la mayoría trabajan con pH neutro.
• Muy eficientes. Una molécula de enzima puede catalizar miles de moléculas de sustrato por minuto.

Incorporación y Consumo de Energía en los Seres Vivos

Los productores absorben la energía solar durante la fotosíntesis y la incorporan a la materia orgánica que fabrican. Parte de esta energía pasa a los consumidores que se alimentan de los productores o de otros consumidores y a los descomponedores.

Los seres vivos utilizan la energía contenida en la materia orgánica para llevar a cabo la oxidación o combustión de la materia orgánica, mediante un proceso conocido como respiración.

Tipos de Nutrición

• Autótrofa: Son capaces de fabricar materia orgánica a partir de materia inorgánica (luz).
• Heterótrofa: Necesitan materia orgánica elaborada por otros seres vivos para nutrirse.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso por el cual algunos organismos, como las cianobacterias y las plantas, pueden capturar la energía luminosa y transformarla en energía química. Las plantas verdes utilizan la energía química obtenida mediante la fotosíntesis para producir una gran variedad de compuestos orgánicos a partir de agua, sales minerales y dióxido de carbono. Esta síntesis es el resultado de reacciones químicas que se desarrollan en los cloroplastos. El oxígeno resulta ser un producto residual de la fotosíntesis.

Los primeros productos de la fotosíntesis son moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se obtendrán glúcidos, lípidos y proteínas más complejos.

1. Elementos que Intervienen en la Fotosíntesis

Son el agua y las sales minerales procedentes del suelo y el CO2 del aire que penetra en las hojas a través de los estomas y se difunde al interior. La energía, imprescindible para el proceso, la proporciona la luz solar.

La clorofila (pigmento que da color verde a la planta) se encarga de captar la energía luminosa para que pueda ser transformada en energía química. Una parte quedará almacenada en los enlaces del ATP y será utilizada en las reacciones químicas propias de este complejo proceso de fotosíntesis. Las reacciones químicas de la fotosíntesis las agrupamos en dos procesos: fase luminosa y fase oscura.

2. La Fase Luminosa

Se llama así porque para su realización es indispensable la presencia de luz. El primer paso para la conversión de la energía luminosa en energía química es la absorción de la luz. Las moléculas encargadas de absorber la energía de la luz son los pigmentos fotosintéticos, siendo el más importante la clorofila. Cuando la luz incide sobre una molécula de clorofila, la energía es transferida a dos de sus electrones (los fotones golpean la clorofila y le arrancan dos electrones) y posteriormente es utilizada para formar ATP. De esta forma la energía luminosa queda fijada en los enlaces químicos del ATP. La energía captada por la clorofila se utiliza también para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno (Fotólisis del agua). Los hidrógenos se utilizarán en la fase siguiente, el oxígeno es liberado al medio (como un residuo) y los dos electrones de los hidrógenos serán cedidos a la clorofila para que recupere los que perdió.

3. La Fase Oscura

Se denomina así porque no depende directamente de la luz, aunque no es obligado que tenga lugar en la oscuridad. En esta segunda etapa de la fotosíntesis, se utilizan los hidrógenos, los electrones y la energía del ATP, obtenidos en la fase luminosa, para reducir el carbono procedente del CO2 y formar glucosa. La reacción global que resume todo el conjunto de reacciones químicas de la fotosíntesis es la siguiente: 6 C02 + 6 H20 → C6H1206 + 6 02

Utilización de Productos Fotosintéticos para la Planta

: Lasmoléculas de glucosa producidas por la fotosíntesis son rápidamente utilizadas para formar almidón que se almacena en las células. [Un aumento de la concentración de glucosa en el interior de las células afectaría a los procesos osmóticos y el almidón, sin embargo, no. El almidónes regularmente degradado a maltosa y este azúcar soluble es transportado fuera de la célula y por medio de los vasos conductores distribuido a todas las partes de la planta no fotosintéticas, como por ejemplo, los frutos maduros, las raíces y los órganos de almacenamiento subterráneo]. Las células utilizan los azúcares de la fotosíntesis de muchas formas: -Respiración: La glucosa puede oxidarse para obtener energía. -Reserva de energía y de materia: Los azúcares que no se necesitan inmediatamente para la respiración son transformados otra vez en almidón y almacenados. Algunas plantas lo hacen en las células de sus tallos o de sus raíces. Otras plantas, como la patata, tienen órganos de almacenamiento especiales (tubérculos). Los azúcares también pueden almacenarse también en las semillas de algunas especies de plantas, como los cereales (contienen almidón). Los frutos de muchas plantas, las uvas por ejemplo, contienen gran cantidad de sacarosa, en este caso para atraer animales que diseminarán las semillas. -Síntesis de otras sustancias. A partir de la glucosa y añadiendo sales minerales, los vegetales producen el resto de las moléculas que precisan. Para fabricar proteínas una planta necesita nitrógeno y azufre, además de carbono, hidrógeno y oxígeno. Estos elementos los obtiene del medio en forma de sales minerales. El nitrógeno para esta síntesis viene de los nitratos que son absorbidos del suelo por las raíces. El azufre es absorbido del suelo en forma de sulfatos. El fósforo es necesario para el ADN y para el ATP y se toma como fosfato. 6.Respiración: La respiración es un proceso químico que tiene lugar en las células. No debe ser confundida con los procesos de intercambio de gases, que tienen lugar en los pulmones. De ahí que se denomine también respiración celular. Todas las células tienen que obtener energía de los nutrientes orgánicos, incluidas las células vegetales. Para ello, los degradan mediante procesos de oxidación y transfieren la energía al ATP. La energía almacenada en el ATP es la que luego utiliza la célula para llevar a cabo todas sus actividades. La respiración es el proceso más frecuente mediante el cual las células obtienen energía de los nutrientes. Consiste en la oxidación completa de los nutrientes orgánicos utilizando el oxígeno. Por tanto, es un proceso catabólico y aeróbico.La glucosa es el principal nutriente que utilizan las células para obtener energía. Durante la respiración la glucosa se oxida completamente a CO2 y H2O siendo la reacción global de este proceso la siguiente: C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi  6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP La molécula de glucosa se degrada en una compleja serie de reacciones, cada una de ellas catalizada por una enzima diferente. De esta forma la energía se libera poco a poco y se consiguen formar 38 moléculas de ATP (Se consiguen “recargar” 38 moléculas de ATP).La energía almacenada en el ATP la utilizan los seres vivos para lo siguiente: 1.Los animales para el movimiento (contracción muscular), para transmitir impulsos nerviosos, para transportar sustancias en el interior del cuerpo y para realizar muchas reacciones de anabolismo. 2.Las plantas para tomar las sales minerales del suelo, para transportar nutrientes y para realizar muchas reacciones de anabolismo. 3.Todos los seres vivos necesitan energía para su crecimiento, para la división celular, para el transporte activo de iones y moléculas y, en definitiva, para mantenerse vivos. Otra parte de la energía de la glucosa se disipa en forma de calor. En los animales endotermos (aves y mamíferos) este calor es retenido para mantener la temperatura de su cuerpo. En las plantas el calor se pierde emitiéndose al medio (fundamentalmente por evaporación de agua) tan rápido como se produce (las actividades de los vegetales no requieren un gasto tan grande de energía como las de los animales por lo que se emite muy poco calor). 1.Mitocòndria: En las mitocondrias tiene lugar la mayor parte de las reacciones de la respiración aeróbica. Por tanto, es en este orgánulo donde se genera la mayor parte del ATP que la célula eucariota utiliza como fuente de energía para todas sus actividades.  7.Fermentación: La fermentación es un proceso de obtención de energía de los nutrientes orgánicos sin la intervención del O2. Por ello se trata de un proceso anaeróbico. Dado que la vida surgió en una atmósfera que carecía de oxígeno, la fermentación es el proceso más antiguo mediante el cual los seres vivos obtienen energía de los nutrientes. La fermentación consiste en una degradación parcial de los nutrientes orgánicos obteniendo energía en forma de ATP y dando como productos finales compuestos orgánicos más simples que los iniciales (más oxidados, esto es, con menos electrones y protones). Un nutriente muy utilizado en la fermentación es la glucosa. 1.Fermentación alcohólica: Las levaduras (hongos unicelulares) degradan la glucosa obteniendo ATP y dando como productos finales etanol y CO2. Se trata de la fermentación alcohólica cuya reacción global es la siguiente: C6H12O6  2 CH3 – CH2OH + 2 CO2 + 2 ATP Al igual que la respiración aeróbica, la fermentación es un proceso que consta de diversas reacciones, cada una de las cuales está catalizada por una enzima diferente. Dichas reacciones  se realizan en el citoplasma de la célula. En la fermentación se produce mucha menos energía que en la respiración: sólo 2 moléculas de ATP en lugar de 38. Esto es porque el alcohol es un compuesto orgánico que todavía contiene una gran cantidad de energía, que la levadura es incapaz de utilizar. (El alcohol es una molécula más oxidada que la glucosa pero menos que el dióxido de carbono). Para la célula de levadura el producto importante de la fermentación es el ATP cuya energía utilizan para su crecimiento y actividades vitales; el alcohol y el CO2 son productos de desecho. 2.Fermentación láctica: Esta fermentación la realizan algunas bacterias del género Lactobacillus y Streptococcus. Para ello, descomponen la lactosa (azúcar de la leche), según la reacción global siguiente: 2 x (C6H12O6) → 2 x (2 CH3 – CHOH – COOH + 2 ATP) En esta fermentación la glucosa se degrada a ácido láctico y se obtienen en el proceso 2 moléculas de ATP. Los lactobacilos se encuentran en los productos lácteos e intervienen en la elaboración de derivados de la leche, tales como el queso, él yogur, la cuajada, etc. (cada molécula de lactosa es previamente dividida en sus dos monosacáridos integrantes). También se produce esta reacción en las células musculares de nuestros músculos esqueléticos. Así, durante una actividad física intensa no llega suficiente oxígeno a las células musculares las cuales obtienen su energía mediante fermentación, degradando la glucosa a ácido láctico. La producción de ácido láctico en estas células es la causa de la fatiga muscular y también, parece ser, de las agujetas.