Metabolismo Celular

Ciencias Naturales

El Metabolismo

Llamamos metabolismo al conjun conjunto to de las trans transfor formac macion iones es física físicass 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, reproducción, relación, intercambio, etc. Todas das estas tas tran transsfor forma maci cio ones nes que co conf nfo orman el metab etabol olis ism mo (tra (trans nsfo form rmac acio ione ness me meta tabó bóli lica cas) s) se divi divide den n en dos dos grup grupos os,, las las rea eacc ccion iones es anabólicas y las catabólicas. catabólicas. Las reacciones catabólicas se caracterizan por liberar energía y por ser procesos de degradación; 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 ener energí gía a y son son proc proces esos os de síntesis (con (const stru rucci cción ón), ), o sea sea que que de moléculas sencillas se llega a obtener moléculas más complejas absorbiendo energía. Metabolism

Catabolism

Anabolism

Liberación de energía y degradación de

Absorción de energía y síntesis de

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

Profesor Itinerante: Fabrizio Cavero

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significa que el proceso por el cual estos seres producen su propio alimento es fundamental para todo el resto de los seres vivos. Este proceso es llamado fotosíntesis (foto = luz, síntesis= síntesis= construcción) y consist iste básicamente en la elaboración ión de moléc lécula ulas 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, algas, o sea en el interior de las células eucariotas eucariotas autótrofas. autótrofas. Pero 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, procariotas, o sea que no tienen organelas.


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Célula vegetal

Cloroplasto en

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 f otoindependiente o etapa oscura. Etapa fotodependiente Durante esta etapa se aprovecha la energía de la luz solar para romper las moléculas de agua (H 2O) que se han obtenido del ambiente, y se liberan lo


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 (FC6) pg. (de 3 color

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 cloroplast cl oroplastos, os, en los l os 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 molé mo lécu cula la de tres tres átom átomos os de ca carb rbon ono, o, oxíge xígeno no e hidr hidróg ógen eno. o. Lueg Luego o esta estass 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 todo todoss sus sus proc proces esos os me meta tabó bóli lico cos; s; el exces xceso o de gluc glucos osa a prod produc ucid ido o será 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: Energía de la luz solar

6 H2O + 6 CO2

C6H12O6 + 6 O2

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.


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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.

La Obtención de Energía Si bien bien la prod produc ucci ción ón del del nutr nutrie ient nte e bási básico co es fund fundam amen enta tal, l, de nada 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, 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, glucólisis, se lleva El ATP a ca cabo bo en el cito citopl plas asma ma de la célul célula a y co cons nsis iste te en El ATP (adenosín tri rom ompe perr la mo molé lécu cula la de gluc glucos osa a (con (con seis seis átom átomos os de fosfato), es un tipo carbono) en dos moléculas de piruvato (tres átomos de particular de molécula carbono cada una) y en dióxido de carbono (CO 2). Este que se puede considerar como un depósito de piruvato, se combina con otras dos sustancias: acetilo y pequeñas cantidades de coenzima A, formando lo que se llama acetil-coenzima A energía contenidas en su (ac acet etil il-C -Co o A). co com mo result sultad ado o de este ste proc proces eso o se interior. interior. La característica obti obtien enen en dos dos mo moléc lécul ulas as de ATP TP,, disp dispon onib ibles les para para la de la energía acumulada en estas moléculas es célula. que se encuentra Luego uego el ac acet etil il-C -Co o A, ingr ingres esa a al inte interi rior or de la disponible para ser utilizada rápida y mitocondria, y en la matriz mitocondrial se desarrolla fácilmente por la célula una compleja serie de reacciones llamada Ciclo de Krebs, Krebs, que no interesa conocer en detalle.


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En la última de las etapas, la cadena respiratoria, respiratoria, Las sustancias que se produjeron 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 que ha ingresado ingresado a la célula, para producir producir agua (H2O). 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 expresar mediante la siguiente ecuación química:

C6H12O6 + 6 O2

6 CO2 + 6 H2O +

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 dió dióxido xido de ca carb rbon ono, o, seis seis de agua agua y gene genera rarr un tota totall de trei treint nta a y seis seis moléculas de ATP.

Célula animal

Mitocondria en detalle


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La Respiración Glucosa

Piruvato

CO

Glucólisis (Citoplasma

Acetilo Acetil-Co A

Coenzima

2 ATP

Ciclo de Krebs (matriz

Cadena Respirator ia

Agua

34 ATP

(membrana

Como vemos, se requiere de oxígeno en la última de las etapas de la respi espira raci ción ón ce celu lula lar, r, es por por esto esto que que este este proc proces eso o se llam llama a respiración requiere de este gas para poder llevarse a cabo. aeróbica, porque requiere Pero este tipo de respiración celular, la aeróbica, aeróbica, no es la única dado que existen gran variedad de seres vivos que no requieren 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 pueden transfor transformar, mar, según sea el tipo de célula en etanol (alcohol etílico) 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; alcohólica; mientras que si se produce ácido láctico se llama fermentación láctica.


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Así Así el bala balanc nce e gene genera rall de am ambo boss tipo tiposs de fer ferme ment ntac ación ión lo pode podemo moss expresar expresar mediante las siguientes ecuaciones químicas: Fermentación

C6H12O6 Gluco+ 2 ATP CO 2

En este proceso a partir de una molécula de glucosa, se obtienen dos moléculas de etanol, dos de dióxido de

2 C2H5OH + 2 Etanol

Dióxido de carbono

Fermentación

C6H12O6

Glucos

2 C3H6O3 + 2 ATP Ácido láctico

En este proceso a partir de una molécula de glucosa, se obtienen dos moléculas de ácido

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.


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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

Entre Entre los tanto tantoss organ organism ismos os capace capacess de real ealiza izarr la fermen fermentac tación ión,, se encuentran las levaduras. 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 producció producción n de pan, las levaduras 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

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 utilizando levadura ¿por qué se formarán las burbujas Profesor Itinerante: Fabriziopan, Cavero (FC6) pg. 9 que paraecen hacer crecer la masa? Explicar Considerando que el vino es simplemente jugo de uvas tratado de una maner es ec ecia iall sin sin a re ados ados ¿Por ¿Por ué si el u o de uvas uvas no co cont ntie iene ne alco alcoho holl el vino vino si? si?

La Membrana Celular o Plasmática. Es evidente que todas las sustancias necesarias y las producidas en los proce procesos sos metabó metabólic licos os que estudi estudiamo amoss anteri anterior ormen mente; te; además además de otra otra gran 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 co comp mple leja ja estr estruc uctu tura ra de esta esta me memb mbra rana na se la suel suele e llam llamar ar 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 Profesor Itinerante: Fabrizio Cavero

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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 mo movi vimi mien ento to de mo molé léuc ucla lass de una una dete deterrmina minada da 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. concentración. Un ejem ejempl plo o muy senci encill llo o de este este fen fenóm ómen eno o lo podemos podemos observar observar colocando colocando algún tipo de colorante colorante en un recipiente que contiene agua: Muy alta concentración del colorante

Se llama gradiente de concentración a

la dirección en la que la concentración de

Dirección en la que fluyen las moléculas del colorante

El colorante ya se ha distribuido de


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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. 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 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. glucosa. En este caso la forma en la que ingresan se denomina transporte o difusión facilitada. También 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 pasa pasaje je de esta estass sust sustan anci cias as,, co como mo la gluco glucosa sa,, inte interv rvie iene nen n las las proteínas asociadas a la bicapa lipídica de la membrana plasmática.

Transporte

Medio

Moléculas de glucosa

Medio


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Transporte Activo Como ya mencionamos en este tipo de transporte se requiere del gasto de ener energí gía a por por part parte e de la cé célu lula la para para inco incorp rpor orar ar mo molé lécu cula las. s. Este Este tipo tipo de transporte se requiere cuando se pretende incorporar sustancias en contra del gradiente de concentración, concentración, o lo que es lo mismo desde donde están menos concentradas hacia donde están más concentradas. Endocitosis y Exocitosis Pero 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 molé mo lécu cula lass de gran gran tama tamaño ño a su inte interi rior or.. Lo hace hace engl englob obán ándo dola lass co con n su membra membrana na plasmá plasmátic tica, a, forman formando do paula paulatin tiname amente nte una una bolsa bolsa o vesícu vesícula la que contiene a la sustancia, que más tarde se desprende de la membrana y se introduce en el medio intracelular.

Endocitosi

Vesícula que contiene las


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En los los ca casso en que la end endoc ocit itos osis is se util utiliz iza a par ara a incorporar incorporar sustancia sustanciass sólidas, sólidas, se denomina 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. extracelular.


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