Tipos de Nutrición Celular

Nutrición Autótrofa

Capaz de sintetizar materia orgánica sencilla a partir de nutrientes inorgánicos.

Nutrición Heterótrofa

Obtiene materia orgánica sencilla directamente del medio, mediante la ingestión y digestión de alimentos.

Nutrición en Pluricelulares

Pluricelularidad y el Intercambio de Sustancias

La mayoría de las células de un ser pluricelular no está en contacto con el medio externo, por lo que no tiene acceso directo a los nutrientes ni a los gases necesarios.

Estrategias para el Intercambio de Sustancias

• Algunos seres pluricelulares tienen estructuras corporales sencillas, no están aislados del exterior y permanecen ligados al agua, lo que permite una difusión de sustancias entre el medio externo y sus células (hongos, algas).
• Los organismos más complejos, plantas y animales, cuentan con estructuras especializadas en las que la entrada y la salida están reguladas (estomas y pelos en la raíz de las plantas) y con diversos sistemas de transporte que se encargan de conducir esas sustancias entre el exterior y un medio interno que está en contacto con todas las células del organismo.

Transporte Pasivo

Se realiza sin consumo de energía. Las sustancias se desplazan a favor del gradiente de concentración, desde la zona en la que la concentración es mayor hacia la zona en la que es menor. Según las características de las moléculas transportadas, se distinguen dos mecanismos de transporte pasivo: difusión simple y difusión facilitada.

Transporte Activo

Las moléculas o iones se mueven en contra del gradiente de concentración, desde la zona menos concentrada hasta la más concentrada. Se necesita energía aportada por el ATP. Se realiza mediante la acción de proteínas transportadoras llamadas bombas (bomba de sodio y potasio).

Transporte de Grandes Partículas

Las células disponen de medios para introducir en su citoplasma o expulsar al exterior macromoléculas y grandes partículas que, por su tamaño, no pueden atravesar la membrana plasmática:

Exocitosis

Proceso de expulsión de productos de desecho o de secreción. Implica la fusión de vesículas membranosas generadas en el interior celular con la membrana plasmática. Como consecuencia, se produce un aumento de la superficie de ésta y su renovación continua.

Endocitosis

Proceso de incorporación de grandes partículas al interior de la célula:

1. El material que se incorpora a la célula se fija a la membrana.
2. Se produce una vesícula que encierra la sustancia.
3. La vesícula se desprende y queda en el citoplasma celular. La membrana se reduce.

Según el tipo de sustancia que se incorpora, se distingue:

• Fagocitosis: la célula introduce grandes partículas sólidas.
• Pinocitosis: la célula introduce líquidos con pequeñas moléculas disueltas.

Metabolismo

Conjunto de reacciones químicas catalizadas por enzimas que se producen en el interior de las células. Su finalidad es el intercambio de materia y energía con el entorno.

Características de las Reacciones Químicas del Metabolismo

• Están catalizadas por enzimas específicos.
• Están encadenadas en rutas metabólicas.
• Son procesos de oxidación-reducción (oxidación: proceso químico en el que una sustancia, llamada dador de electrones o agente reductor, pierde electrones; la reducción es la ganancia de electrones).

Catabolismo

Reacciones exergónicas (liberan energía) en las que las moléculas complejas y reducidas son degradadas a otras moléculas más sencillas y oxidadas.

Anabolismo o Fase Constructiva

Se fabrican moléculas orgánicas complejas y reducidas a partir de moléculas más sencillas y oxidadas. La glucosa es la molécula de la que parten todos estos procesos de oxidación y transformación.

Etapas

• Glicólisis: la molécula de glucosa de 6 átomos de carbono se convierte en dos moléculas de ácido pirúvico, de 3 carbonos. Este proceso libera energía, utilizada para formar ATP y poder reductor que se almacena en forma de NADH.
• Oxidación del ácido pirúvico: entra en la mitocondria, donde sufre una serie de oxidaciones encadenadas que lo transforman en varias moléculas de CO2. El receptor final de los electrones es el oxígeno, que se reduce en forma de H2O. Es la respiración celular.
• Respiración celular: oxidación completa de una molécula de glucosa que se transforma en presencia de O2. En el proceso se libera energía para sintetizar 38 moléculas de ATP.

Anabolismo

El resultado de estos procesos es la formación de proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y lípidos. La mayoría de las rutas anabólicas son comunes en células autótrofas y heterótrofas, pero las células autótrofas disponen de rutas anabólicas específicas en las que son capaces de fabricar sus propias moléculas orgánicas sencillas.

Tipos de Células Autótrofas

• Células fotoautótrofas (fotosintéticas): utilizan la energía de la luz para construir sus moléculas orgánicas (células verdes de las plantas más evolucionadas, algas y algunas bacterias).
• Células quimioautótrofas (quimiosintéticas): utilizan la energía liberada en reacciones químicas exergónicas (bacterias nitrificantes, bacterias incoloras del azufre, ferrobacterias).

Intermediarios del Metabolismo

ATP

Nucleótido formado por una adenina, una ribosa y tres grupos fosfatos. Se encarga de transferir la energía liberada en las reacciones del catabolismo a las reacciones de anabolismo.

Transportadores de Electrones

Sustancias, denominadas enzimas, capaces de experimentar cambios reversibles en su estado redox (NADP, NAD, FAD).

Funciones de Relación de las Células

Son aquellos procesos que capacitan a los organismos para reconocer los cambios que se producen en el medio (estímulos) y para responder de forma adecuada ante ellos.

Recepción de Estímulos

Para detectar estos cambios, las células tienen proteínas receptoras incluidas en la membrana plasmática, las cuales son capaces de reaccionar ante los estímulos de manera específica. Cuando se produce el estímulo, las proteínas receptoras modifican su estructura o producen algún tipo de reacción química, desencadenando procesos metabólicos en el interior de la célula que elaboran una respuesta coordinada.

Ejecución de Respuestas

• Estáticas: no implican movimiento celular (enquistamiento de algunos organismos unicelulares que sintetizan cubiertas externas muy resistentes cuando las condiciones del medio se vuelven desfavorables). La célula permanece en estado latente hasta que las condiciones son favorables.
• Dinámicas: implican movimientos y reciben el nombre de tactismos. Son positivos cuando la célula se dirige hacia el estímulo y negativos cuando se separa de él.

Movimientos de las Células

Movimiento Vibrátil

Producido por la acción de unas estructuras filiformes que pueden ser: cilios (cortos y numerosos) y flagelos (largos y puede haber uno o dos). Este movimiento requiere la energía del ATP. En los organismos unicelulares, los cilios y los flagelos sirven para el desplazamiento del organismo. En los pluricelulares, los flagelos permiten el desplazamiento de algunas células, como los espermatozoides, y los cilios se encuentran tapizando superficies internas y no mueven las células, sino el medio que las rodea.

Movimiento Ameboide

La célula avanza por la emisión de pseudópodos, prolongaciones del citoplasma dirigidas por filamentos de actina y miosina. Sirven para la locomoción y la alimentación, ya que permiten englobar partículas que ingresan en el interior de una vesícula al citoplasma. Este movimiento se observa en protozoos y en células de organismos superiores, como los fagocitos de la sangre.

Movimiento Contráctil

Es un acortamiento de la célula que se produce al moverse los filamentos de actina y miosina que la célula tiene en su citoplasma. Se observa en protozoos y en las células musculares de vertebrados.

División Celular

Mitosis o Cariocinesis

División del núcleo. En ella, a partir del núcleo de una célula madre se obtienen dos núcleos hijo con el mismo número de cromosomas que el núcleo materno.

Citocinesis

Separación del citoplasma, lo que origina dos células hijas independientes. Tiene lugar al final de la mitosis y sucede de forma diferente en células animales y en las vegetales, debido a la presencia de la pared celulósica en estas últimas.

División Celular en Eucariotas

1. Interfase: periodo que abarca desde que la célula se forma hasta que va a iniciar su división. Durante la interfase se produce la duplicación del ADN.
2. Profase: se duplican los centriolos. Cada par de ellos se dirige a un polo de la célula y, entre ellos, se desarrollan unos microtúbulos que originan el huso mitótico. La cromatina se condensa y aparecen los cromosomas, formados por dos cromátidas hermanas unidas por una constricción, el centrómero. La membrana nuclear y el nucléolo desaparecen.
3. Metafase: los cromosomas alcanzan su máxima condensación y se sitúan en el ecuador de la célula, unidos a las fibras del huso mitótico por unos discos del centrómero llamados cinetocoros.
4. Anafase: las fibras del huso se acortan, lo que provoca el arrastre y separación de las dos cromátidas hermanas de cada cromosoma. Los dos lotes de cromátidas van hacia cada uno de los dos polos celulares.
5. Telofase: las cromátidas pierden su condensación y vuelven a su estado de cromatina. Se inicia la citocinesis y reaparecen la membrana nuclear y el nucléolo. Se forman dos núcleos hijo con 2n cromosomas de una cromátida cada uno.
6. Citocinesis: si la célula es animal, se produce un anillo de actina que provoca el estrangulamiento de la célula. Si es vegetal, se forma un tabique en su ecuador, llamado fragmoplasto, que divide la célula en dos.

Reproducción Asexual

1. Esporulación: a partir de esporas, células capaces de germinar y originar nuevos individuos cuando las condiciones del medio son favorables (plantas, hongos, algunos protistas).
2. Escisión o fragmentación: rotura del organismo progenitor en uno o varios fragmentos, los cuales originarán un individuo completo (algas, briófitos, pólipos, anélidos).
3. Gemación: el organismo progenitor forma una yema, un conjunto de células capaz de desarrollar un individuo completo. Los nuevos individuos pueden separarse del parental e iniciar su vida independiente o permanecer unidos formando una colonia.

Reproducción Sexual

1. Formación de gametos: se originan a partir de un grupo de células germinales (gametogénesis). El resto de las células del cuerpo son las somáticas, que no participan en el proceso reproductor. La formación de gametos masculinos (espermatogénesis) produce espermatozoides en el caso de los animales y anterozoides en plantas y algas. La formación de gametos femeninos produce óvulos en animales y oosferas en plantas y algas.
2. Fusión de gametos: es necesario que los gametos entren en contacto (fecundación), la cual puede ser externa o interna. Tras la fecundación se produce la cariogamia (fusión de los núcleos) para formar un cigoto.
3. Desarrollo del cigoto: el cigoto comienza a dividirse y pasa a llamarse embrión. Tras sucesivas divisiones celulares por mitosis y procesos de diferenciación celular, el embrión da origen a un individuo completo.

Meiosis

Reduce a la mitad el número de cromosomas de las células hijas. A partir de células diploides, con dos juegos completos de cromosomas, se obtienen células haploides. Aumenta la variabilidad genética gracias a un proceso denominado sobrecruzamiento, en el que se intercambian fragmentos de cromátidas hermanas entre cromosomas homólogos.

Fases de la Meiosis

1. División meiótica (Meiosis I): se produce la reducción a la mitad del número de cromosomas.
   • Profase I: los cromosomas homólogos se aparean formando pares de cromosomas llamados bivalentes o tétradas.
   • Metafase I: los bivalentes se sitúan en el ecuador de la célula, unidos a las fibras del huso acromático.
   • Anafase I: cada cromosoma se separa de su homólogo.
   • Telofase I: cada cromosoma homólogo alcanza los polos de la célula.
2. División meiótica (Meiosis II): proceso de división en el que se separan las cromátidas hermanas de cada cromosoma, formando cuatro células hijas haploides.

Ciclos Biológicos

1. Ciclo haplonte: ciclo de los organismos cuyos cuerpos están formados por células haploides durante la mayor parte de su ciclo biológico. El organismo forma, por mitosis, gametos haploides que forman un cigoto diploide, el cual sufre meiosis y origina células hijas haploides (protistas y hongos).
2. Ciclo diplonte: lo tienen los animales, cuyo cuerpo está formado por células diploides durante la mayor parte de su ciclo vital. Los gametos haploides se originan por meiosis a partir de células germinales diploides. Tras la fecundación, se forma un cigoto diploide que, por mitosis, origina un adulto diploide.
3. Ciclo diplohaplonte: propio de plantas que alternan una generación diploide (esporofito) con una haploide (gametofito). El esporofito sufre meiosis para formar esporas haploides que originarán gametofitos haploides.

Proceso de Nutrición

• Ingestión: entrada de los alimentos del medio externo.
• Digestión: en los organismos pluricelulares sencillos, los alimentos son captados e incorporados directamente a la célula. En los complejos, los alimentos deben sufrir un tratamiento previo, mecánico y químico, que los convierta en moléculas más sencillas (nutrientes).
• Circulación: los nutrientes y el oxígeno absorbidos e incorporados al medio interno tienen que ser distribuidos a todas las células del organismo pluricelular.
• Excreción: una vez en las células, los nutrientes se metabolizan y se producen sustancias de desecho no aprovechables por el organismo. El sistema circulatorio los transporta hasta estructuras especializadas que los expulsan al exterior en el proceso de excreción.

Excreción

Proceso de salida hacia el exterior del organismo de sustancias de desecho, que son inútiles para la célula o para el organismo.

Defecación

Es la salida hacia el exterior del organismo de la materia fecal producida como resultado de los alimentos que no fueron utilizados ni absorbidos, para su posterior transformación en el intestino grueso en desechos. Esta materia fecal se almacena en el recto y, finalmente, se evacua por el ano.

Digestión

Los alimentos están compuestos por grandes moléculas que tienen que ser preparadas y convertidas en moléculas más sencillas y de menor tamaño que puedan ser absorbidas, introducidas en el organismo, atravesar las membranas celulares y ser utilizadas por las células. La digestión es el conjunto de procesos mecánicos y químicos preparatorios del alimento.

Tipos de Digestión

• Intracelular: en el interior de las células.
• Extracelular: se produce fuera de las células, en el interior de una cavidad gástrica o en un tubo digestivo.
• Mixta: si consta de dos etapas, una extracelular y otra intracelular.

Digestión en Vertebrados

Proceso

• Tratamiento mecánico: fragmentación del alimento y movimiento del bolo alimenticio a través del tubo digestivo, gracias a diferentes procesos bucales y a las contracciones de la musculatura del tubo digestivo (contracciones peristálticas).
• Tratamiento químico: produce la hidrólisis de las macromoléculas del alimento por las enzimas de los jugos digestivos y de la bilis.

Partes del Tubo Digestivo y Digestión

• Boca: se fragmentan los alimentos y se inicia la digestión química de los hidratos de carbono gracias a las enzimas de la saliva.
• Digestión química y lubricación del alimento: la saliva se mezcla con el alimento e inicia la digestión química de los hidratos de carbono. La saliva es una solución acuosa compuesta de agua y proteínas. El alimento se transforma en el bolo alimenticio.
• Deglución: fase en la que el bolo alimenticio pasa de la boca al esófago. Es impulsado hacia la faringe por la lengua y, a continuación, pasa al esófago y se desplaza impulsado por las contracciones peristálticas.
• Esófago: tubo que comunica la boca con el estómago. Continúa el tratamiento mecánico de la digestión química.
• Estómago: porción dilatada del tubo digestivo situada entre el esófago y el intestino. Almacena la comida, regula el paso de ésta al intestino y realiza parte de la digestión.
• Quimo y las secreciones gástricas: quimo (cuando el alimento ingerido llega al estómago, es batido y mezclado con los jugos gástricos).
  … Secreciones gástricas: son segregadas por las glándulas de las paredes del revestimiento del estómago. Están formadas por agua, mucina (función protectora), pepsinógeno (enzima que degrada las proteínas a péptidos), renina y ácido clorhídrico, que mantiene el pH ácido para que funcionen las enzimas y tiene una función bactericida.
  … Regulación de las secreciones gástricas: se segrega la gastrina que, a través de la sangre, llega a las células del estómago que elaboran el ácido clorhídrico.
• Intestino delgado: se divide en duodeno, yeyuno e íleon. Porción más larga del tubo digestivo. Su longitud varía con el tipo de alimentación (largo en herbívoros, corto en carnívoros). Se produce la parte principal de la digestión de los hidratos de carbono y proteínas, e inicia la digestión de las grasas. Es necesario que las secreciones vertidas por el páncreas, el hígado y las glándulas intestinales se mezclen con el quimo, lo que forma el quilo (agua, sales minerales, monosacáridos, aminoácidos), que son absorbidos por la mucosa intestinal para ser incorporados al aparato circulatorio.
• Intestino grueso: se divide en: ciego (porción inicial del intestino grueso, tiene forma de saco y una prolongación llamada apéndice vermiforme), colon (es la continuación del ciego y llega hasta el recto) y recto (porción terminal, regula la salida al exterior de las heces en el proceso de defecación a través del ano). Su función es la absorción de iones y de agua.

Absorción Intestinal

• En el intestino delgado: la mayoría de los nutrientes orgánicos son absorbidos por transporte activo.
• Intestino grueso: se continúa la absorción de iones y agua, y se forman las heces fecales. En su formación intervienen el mucus producido por las células de las paredes. Las bacterias simbiontes descomponen los alimentos no digeridos ni absorbidos, y se sintetizan aminoácidos y vitaminas que son absorbidos por los capilares sanguíneos.

Respiración Celular

Proceso de oxidación de moléculas orgánicas que se lleva a cabo en las mitocondrias de las células. Se incorpora oxígeno y se desprende dióxido de carbono como producto de desecho.

Respiración Externa

Se produce a través de la membrana plasmática de las células de la piel o de superficies especializadas en el intercambio de gases, denominadas superficies respiratorias.

Superficie de Intercambio Gaseoso

• Las paredes de la superficie donde se produce el intercambio de gases deben ser delgadas para favorecer la difusión.
• La superficie tiene que estar húmeda, debido a que los gases las atraviesan disueltos.
• Las superficies deben estar revestidas por una red capilar del sistema circulatorio por el que circulen líquidos internos con moléculas encargadas del transporte de gases entre la superficie respiratoria y las células.

Respiración Pulmonar

(Gasterópodos, anfibios, reptiles, aves y mamíferos)

Tipos de Pulmón

• Pulmones de difusión: muy primitivos, consisten en una cámara sencilla con muchos plegamientos internos. No necesitan sistema de ventilación y se comunican al exterior por un orificio siempre abierto (invertebrados terrestres).
• Pulmones de ventilación: típicos de vertebrados terrestres, necesitan mecanismos activos de ventilación. Están formados por dos cámaras subdivididas en pequeñas cavidades (alvéolos) que están rodeados por capilares. La comunicación con el exterior se realiza a través de vías respiratorias.

Inspiración

Fenómeno activo que supone la entrada del aire al interior de los pulmones. Se produce por la contracción de los músculos de la caja torácica, que hace que aumente su volumen, que la presión atmosférica sea menor en el interior y que el aire tienda a entrar desde las fosas nasales hasta los alvéolos.

Espiración

Fenómeno producido por la relajación de los músculos que rodean la caja torácica, recuperando su estado normal. Los pulmones disminuyen su tamaño y el aire es expulsado.

Intercambio de Gases

Se realiza por difusión, tanto en los pulmones como en los tejidos. Por ejemplo, el aire contenido en los alvéolos pulmonares contiene más cantidad de oxígeno que la sangre de los capilares que los rodean, por lo que el oxígeno tiende a pasar al interior de los capilares.

Transporte de Gases

El oxígeno y parte del dióxido de carbono son transportados al interior de las células sanguíneas por unas proteínas denominadas pigmentos respiratorios (hemoglobina).