Procesos Metabólicos y fisiológicos de la célula Transporte Celular

Procesos Metabólicos y fisiológicos de la célula
1. Transporte Celular
Los mecanismos de transporte celular son importantes porque permiten la entrada de sustancias vitales
para las funciones celulares y la salida de productos de desecho. Los mecanismos a través los cuales se
cumple lo anterior son:
I. Transporte pasivo: en donde no se requiere el consumo de energía y las sustancias fluyen desde
donde hay mayor concentración hacia donde hay menor concentración, e incluye:
a. Difusión simple: Las moléculas pequeñas y los solutos se encuentran entre las principales
sustancias que entran y salen de las células mediante este mecanismo. La dirección en la cual se
mueven está determinada por la concentración de los mismos y siempre fluye desde donde hay más
hacia donde hay menos concentración de moléculas.
b. Osmosis: Este es un caso especial de difusión en donde existe una membrana semipermeable a
través de la cual únicamente puede pasar el agua. Hay que recordar que una gran parte de la célula es
agua, en donde se encuentran disueltos diversos solutos. La membrana celular funciona como esa
barrera semipermeable a través de la cual puede pasar agua pero no pueden pasar los solutos por este
mecanismo. Supongamos que un soluto fue introducido a la célula por un mecanismo diferente a la
osmosis, entonces existe una gran concentración de este soluto en el interior de la célula, para “diluirlo”,
el agua pasa a través de la membrana hacia el interior de la célula hasta lograr tener la misma
concentración con respecto al exterior, es decir hasta estar equilibrado.
En función de la concentración comparada con el interior de la célula se habla de tres tipos de
soluciones: I) hipotónica, cuando la cantidad de soluto es menor que la cantidad de solvente, II)
hipertónica, cuando la cantidad de soluto es mayor que la de solvente, III) isotónica, cuando la cantidad
de soluto y solvente es igual a la que existe en el interior de la célula.
c. Difusión facilitada: al igual que la osmosis y la difusión simple, no hay consumo de energía y se
efectúa de concentraciones mayores a concentraciones menores, pero en este caso con la ayuda de las
proteínas incrustadas en la membrana celular, llamadas proteínas transportadoras. A través de este
mecanismo se introducen moléculas tales como las de la glucosa, los aminoácidos y los iones.
II. Transporte activo: En este mecanismo la célula introduce o expulsa sustancias, pero existe un
consumo de energía debido a que se efectúa en contra del gradiente de concentración, es decir desde
donde hay menos hacia donde hay más. Un ejemplo común de este mecanismo es la bomba de sodiopotasio en donde la célula expulsa el sodio e introduce el potasio, a pesar de que en el exterior hay una
gran concentración de sodio y en el interior una gran concentración de potasio.
En este mecanismo también se incluye el transporte mediado por vesículas. Cuando una vesícula
alcanza la superficie interior de la membrana celular, su membrana se fusiona con la membrana
citoplasmática y expulsa su contenido al exterior. Este proceso es conocido como exocitosis.
El transporte por medio de vesículas o vacuolas también puede operar en sentido contrario. En la
endocitosis, el material que se incorporará a la célula induce una proyección de la membrana hacia el
interior de la célula, produciéndose una vesícula que encierra a la sustancia. Esta vesícula es liberada en
el citoplasma.
2. Fotosíntesis
Las plantas llevan a cabo un proceso de conversión de energía luminosa a energía bioquímica llamado
fotosíntesis. Durante este proceso interviene una substancia llamada clorofila, la cual utiliza la energía
luminosa para transformar el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno. Estos
carbohidratos son utilizados como materia prima en las células vegetales pata formar nuevas estructuras
en la planta. El oxígeno producido, es liberado a la atmósfera como subproducto y utilizado por otros
organismos para llevar a cabo el proceso de respiración celular.
La reacción general de la fotosíntesis es:
Luz
6 CO2 + 6 H2O ----- C6H12O6 + 6 O2
Reactivos
Productos
La fotosíntesis se efectúa en dos etapas, ambas en el cloroplasto de la célula vegetal:
a. Fase luminosa: en esta fase la molécula de agua se rompe para formar el oxígeno y se sintetiza
ATP.
b. Fase obscura: en esta fase se utiliza el ATP producido en la fase luminosa para convertir el
dióxido de carbono en carbohidratos. A este proceso se le conoce como ciclo de Kalvin.
La siguiente gráfica muestra el proceso de fotosíntesis y el lugar en donde se efectúa.
Imagen tomada de rubenmunoz.wordpress.com el 14 de Diciembre de 2009
3. Respiración Celular
Las plantas durante la noche y los organismos no fotosintéticos, llevan a cabo el proceso de respiración
celular. Durante el cual los carbohidratos, principalmente la glucosa, son transformados en dióxido de
carbono, agua y ATP.
La reacción general de la respiración aeróbica es:
O2
C6H12O6 ------- CO2 + H2O + 36 ATP
Este proceso se lleva a cabo en el citoplasma y en la mitocondria de las células eucariotas en dos fases:
a. Glicólisis: aquí la glucosa es transformada en dos moléculas de piruvato en el citoplasma de la
célula. Además se liberan 2 ATP y se forma NADH+.
C6H12O6 ------- 2 Piruvato + NADH+ + 2 ATP
b. Ciclo de Krebs: las 2 moléculas de piruvato son transformados en 6 moléculas de dióxido de
carbono, NADH+, FADH+ y 2 ATP.
2 Piruvato ----- 6 CO2 + NADH+ + FADH+ + 2 ATP
c. Cadena de transferencia de electrones: aquí se utiliza el oxígeno para unirlo con los iones
hidrógeno de los NADH+ y FADH+, formando agua. Además se liberan 32 ATP, que unidos a los
ATP producidos en las otras fases, dan un total de 36 ATP.
NADH+ + FADH+ + O2 ----- H2O + 32 ATP
Hay una vía alterna de obtención de energía en la célula cuando hay carencia de oxígeno que es
llamada vía anaeróbica o de ácido láctico. Durante este proceso la glucosa es transformada en este
ácido en lugar del dióxido de carbono. A diferencia de la otra vía, se obtienen únicamente 2 ATP.
C6H12O6 ------- Acido Láctico + 2 ATP
4. Autoduplicación de ADN
Los ácidos nucléicos son macromoléculas complejas de suma importancia biológica, ya que todos los
organismos vivos los contienen. Sin embargo, algunos virus sólo contienen ARN, mientras que otros sólo
poseen ADN.
Se les denomina así porque fueron aislados por primera vez del núcleo de células vivas. No obstante,
ciertos ácidos nucléicos no se encuentran en el núcleo de la célula, sino en el citoplasma celular.
Sin duda alguna, los ácidos nucléicos son las sustancias fundamentales de los seres vivos, y se cree que
aparecieron hace unos 3.000 millones de años, cuando surgieron en la Tierra las formas de vida más
elementales. Y los investigadores han aceptado que el origen del código genético que portan estas
moléculas es muy cercano al tiempo del origen de vida en la Tierra.
Tanto la molécula de ARN como la molécula de ADN tienen una estructura de forma helicoidal. Y que la
secuencia de estas moléculas a lo largo de la cadena determina el código de cada ácido nucléico
particular. A su vez, este código indica a la célula cómo reproducir un duplicado de sí
misma o las proteínas que necesita para su supervivencia. Por tanto, se han identificado al menos dos
funciones fundamentales de
los ácidos nucléicos:
 Transmitir las características hereditarias de una generación a la siguiente
 Dirigir la síntesis de proteínas específicas.
Los ácidos nucléicos están formados por un azúcar (pentosa), bases nitrogenadas (purinas o pirimidinas)
y ácido fosfórico.
La hidrólisis completa de ADN (o ARN) da:
• Pentosa −desoxirribosa (ADN) ó ribosa (ARN).
• Bases Nitrogenadas:
– Purinas : Adenina y Guanina.
– Pirimidinas: Citosina y [Timina (ADN) ó Uracilo (ARN)]
– Ácido Fosfórico H3PO4
Las siguientes figuras muestran los componentes de los ácidos nucléicos.
Ball and stick model of DNA. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by
Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission.
Figura tomada de www.biologycorner.com/bio1/DNA.html el 14 de Diciembre de 2009
Existen tres tipos de ácidos nucléicos:
ARN mensajero: ácido nucleico que contiene la información para dirigir la síntesis de una o más
proteínas específicas. La información se encuentra contenida en grupos de tres nucleótidos
llamados codones, los cuales determinan el aminoácido que debe incorporarse en la proteína
que se va a sintetizar. El nombre mensajero deriva de su papel el intermediario: actúa como
vehículo de transporte de información genética entre el ADN y las proteínas.
·
ARN de transferencia: son moléculas relativamente pequeñas que intervienen en la síntesis de
proteínas,complementando la función del ARN mensajero. Contienen entre 75 y 90 nucleóditos
dispuestos en forma de trébol. Cada ARN tiene una secuencia de tres nucleóditos llamada
anticodón. La cual resulta clave para la síntesis de proteínas.
·
ARN ribosomal: es el ARN más abundante en las células; desempeña una función estructural.
Como componente de un importante complejo supramolecular llamado ribosoma. Los
ribosomas, formados por proteínas y ARN ribosomal y participan activamente en la lectura de la
molécula de ARN mensajero para sintetizar las proteínas contenidas en la secuencia de
codones del ARN mensajero.
La replicación del ADN es el proceso mediante el cual se duplica la doble cadena de DNA, tomando
como “plantilla” cada cadena sencilla.
Conservative model of DNA replication. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th
Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with
permission.
5. Síntesis de proteínas
Este proceso se lleva a cabo en dos fases, la transcripción y la translación. Para que este proceso se
realice se involucran los tres tipos de ARN.
a. Transcripción
Es el proceso en el cual la información del DNA pasa al RNA mensajero
b. Translación
Es la traducción de las bases nitrogenadas en aminoácidos
6. Mitosis y Meiosis
Todas las células presentan un ciclo de vida llamado ciclo celular. Este ciclo comprende 4 fases:
a. G1: se refiere al crecimiento inicial que tienen las células, antes de la replicación de su material
genético.
b. S: en esta etapa, el material genético se duplica preparando a la célula para su división.
c. G2: se refiere al crecimiento final de la célula antes de que se divida.
d. M: es la etapa en la cual la célula se dividirá.
La división celular es por medio de uno de los siguientes procesos, dependiendo del tipo de célula de
que se trate:
 Mitosis
Proceso de división celular en la que la célula madre se divide en dos células hijas genéticamente
idénticas a ella. Se lleva a cabo en células somáticas o células corporales.
Consta de 4 fases:
a. Profase: fase inicial en donde se organiza el ADN formando a los cromosomas, se duplica el
material genético, se desaparece la membrana nuclear y parecen los centriolos.
The events of Prophase. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th
Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman
(www.whfreeman.com), used with permission.
b. Metafase: aquí los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula ayudado por las fibras del
huso acromático.
c. Anafase: los cromosomas se separan, la mitad se dirige a cada lado de la célula.
The events of Metaphase and Anaphase. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology,
4th Edition, by Sinauer Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman
(www.whfreeman.com), used with permission.
d. Telofase: aquí aparece de nuevo la membrana nuclear rodeando al material genético y
desaparecen los centriolos y el huso
The events of Telophase. Image from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by Sinauer
Associates (www.sinauer.com) and WH Freeman (www.whfreeman.com), used with permission.
 Meiosis
Este tipo de reproducción celular es exclusiva de las células sexuales, las cuales deben de contener la
mitad de la información genética de la célula original Se lleva a cabo en dos fases: meiosis I y meiosis 2.


Meiosis I: se inicia después de la duplicación del ADN y consta de las siguientes fases:
o Profase I: los cromosomas se hacen visibles y se duplican, aparecen los centriolos y se
lleva a cabo el entrecruzamiento cromosómico (intercambio de material genético entre
cromosomas homólogos).
o Metafase I: desaparece el núcleo, se agrupan las parejas de cromosomas homólogos en
el ecuador de la célula.
o Anafase I: a diferencia de mitosis, los cromosomas completos se desplazan hacia los
polos de la célula. Cada cromosoma homólogo se dirige a un polo opuesto.
o Telofase I: la formación del núcleo a veces no se produce en algunos organismos y en
otros se puede formar una nueva membrana nuclear con un núcleo difuso. El citoplasma
se divide en 2 (citocinesis)
Meiosis II
o Profase II: se inicia con un número haploide de cromosomas presentes en las células.
Los centriolos se desplazan hacia los polos opuestos. A diferencia de profase I, no hay
duplicación de cromosomas ni sobrecruzamiento cromosómico.
o Metafase II: los cromosomas se ubican en el ecuador de la célula.
o Anafase II: los cromosomas se separan y las cromátidas son arrastradas hacia los polos
opuestos.
o Telofase II: se forma nuevamente el núcleo y se divide el citoplasma en dos.
Imagen tomada de library.thinkquest.org el 14 de Diciembre de 2009