Las células administran una amplia gama de funciones en su pequeño paquete (crecimiento, mudanza, mantenimiento, etc.) y la mayoría de esas funciones requieren energía. Pero, ¿cómo obtienen las células esta energía en primer lugar? ¿Y cómo lo usan de la manera más eficiente posible?
¿De dónde obtienen las células su energía?
Para las células fotosintéticas, la principal fuente de energía es el sol.
Las células, como los humanos, no pueden generar energía sin localizar una fuente en su entorno. Sin embargo, mientras que los humanos buscan sustancias como los combustibles fósiles para alimentar sus hogares y negocios, las células buscan su energía en forma de moléculas de alimentos o luz solar. De hecho, el Sol es la principal fuente de energía para casi todas las células, porque las procariotas, algas y células vegetales fotosensibles aprovechan la energía solar y la utilizan para formar las complejas moléculas de alimentos orgánicos de las que dependen otras células para obtener la energía necesaria para sostener el crecimiento. , metabolismo y reproducción.
Los nutrientes celulares vienen en muchas formas, incluyendo azúcares y grasas. Para proporcionar energía a una célula, estas moléculas tienen que pasar a través de la membrana celular, que funciona como una barrera, pero no como una barrera intransitable. Al igual que las paredes exteriores de una casa, la membrana plasmática es semipermeable. De la misma manera que las puertas y ventanas permiten que las necesidades entren en la casa, varias proteínas que atraviesan la membrana celular permiten moléculas específicas en la célula, aunque pueden requerir un poco de energía para realizar esta tarea.
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La ameba, un organismo unicelular, adquiere energía al engullir nutrientes en forma de una célula de levadura (roja). A través de un proceso llamado fagocitosis, la ameba encierra la célula de levadura con su membrana y la atrae hacia adentro. Las proteínas especializadas de la membrana plasmática en la ameba (en verde) están involucradas en este acto de fagocitosis, y luego son recicladas nuevamente dentro de la ameba después de que los nutrientes son engullidos.
¿Cómo las células convierten los nutrientes en energía utilizable?
Las moléculas complejas de alimentos orgánicos como los azúcares, las grasas y las proteínas son fuentes ricas de energía para las células porque gran parte de la energía utilizada para formar estas moléculas se almacena literalmente dentro de los enlaces químicos que las mantienen unidas. Los científicos pueden medir la cantidad de energía almacenada en los alimentos usando un dispositivo llamado calorímetro de bomba . Con esta técnica, la comida se coloca dentro del calorímetro y se calienta hasta que se quema. El exceso de calor liberado por la reacción es directamente proporcional a la cantidad de energía contenida en el alimento.
A través de una serie de pasos pequeños, la energía libre se libera del azúcar y se almacena en moléculas transportadoras en la célula (ATP y NADH, no se muestran). A la derecha, la quema directa de azúcar requiere una mayor energía de activación. En esta reacción, se libera la misma energía libre total que en la oxidación gradual, pero ninguna se almacena en las moléculas portadoras, por lo que la mayor parte se perderá en forma de calor (energía libre). Esta combustión directa es por lo tanto muy ineficiente, ya que no aprovecha la energía para un uso posterior.
En realidad, por supuesto, las células no funcionan como los calorímetros. En lugar de quemar toda su energía en una gran reacción, las células liberan la energía almacenada en sus moléculas de alimentos a través de una serie de reacciones de oxidación. La oxidación describe un tipo de reacción química en la que los electrones se transfieren de una molécula a otra, cambiando la composición y el contenido energético de las moléculas donante y aceptora. Las moléculas de los alimentos actúan como donantes de electrones. Durante cada reacción de oxidación involucrada en la descomposición de los alimentos, el producto de la reacción tiene un contenido de energía más bajo que la molécula del donante que lo precedió en la ruta. Al mismo tiempo, las moléculas aceptoras de electrones capturan parte de la energía que se pierde de la molécula de alimento durante cada reacción de oxidación y la almacenan para un uso posterior. Eventualmente, cuando los átomos de carbono de una molécula de alimento orgánico complejo se oxidan por completo al final de la cadena de reacción, se liberan como desechos en forma de dióxido de carbono.
Las células no usan la energía de las reacciones de oxidación tan pronto como se libera. En cambio, la convierten en moléculas pequeñas y ricas en energía, como el ATP y el dinucleótido de adenina nicotinamida ( NADH ), que pueden usarse en toda la célula para impulsar el metabolismo y construir nuevos componentes celulares. Además, las proteínas del caballo de batalla llamadas enzimas usan esta energía química para catalizar, o acelerar, las reacciones químicas dentro de la célula que de otra manera avanzarían muy lentamente. Las enzimas no fuerzan una reacción para proceder si no lo hiciera sin el catalizador; más bien, simplemente reducen la barrera de energía requerida para que comience la reacción.
Las enzimas reducen la energía de activación necesaria para transformar un reactante en un producto. A la izquierda hay una reacción que no está catalizada por una enzima (roja), y a la derecha está una que es (verde). En la reacción catalizada por enzimas, una enzima se unirá a un reactivo y facilitará su transformación en un producto. En consecuencia, una vía de reacción catalizada por enzimas tiene una barrera de energía más pequeña (energía de activación) que superar antes de que la reacción pueda procesarse.
¿Qué vías específicas usan las células?
El ATP consiste en una base de adenosina, un azúcar de ribosa y una cadena de fosfato. El enlace de fosfato de alta energía en esta cadena de fosfato es la clave del potencial de almacenamiento de energía del ATP.
La vía de energía particular que emplea una célula depende en gran medida de si esa célula es un eucariota o un procariota. Las células eucariotas utilizan tres procesos principales para transformar la energía contenida en los enlaces químicos de las moléculas de los alimentos en formas más fácilmente utilizables, a menudo moléculas transportadoras ricas en energía. La adenosina 5′-trifosfato o ATP es la molécula transportadora de energía más abundante en las células. Esta molécula está hecha de una base de nitrógeno (adenina), un azúcar ribosa y tres grupos fosfato. La palabra adenosina se refiere a la adenina más el azúcar ribosa. El enlace entre el segundo y el tercer fosfato es un enlace de alta energía
El primer proceso en la vía de la energía eucariótica es la glucólisis , que literalmente significa “división del azúcar”. Durante la glucólisis, las moléculas individuales de glucosa se dividen y finalmente se convierten en dos moléculas de una sustancia llamada piruvato ; porque cada glucosa contiene seis átomos de carbono, cada piruvato resultante contiene solo tres carbonos. La glucólisis es en realidad una serie de diez reacciones químicas que requieren la entrada de dos moléculas de ATP. Esta entrada se usa para generar cuatro nuevas moléculas de ATP, lo que significa que la glicólisis produce una ganancia neta de dos ATP. Dos moléculas NADH también se producen; estas moléculas sirven como portadores de electrones para otras reacciones bioquímicas en la célula.
La glucólisis es una antigua vía principal de producción de ATP que se produce en casi todas las células, eucariotas y procariotas por igual. Este proceso, que también se conoce como fermentación , tiene lugar en el citoplasma y no requiere oxígeno. Sin embargo, el destino del piruvato producido durante la glucólisis depende de si el oxígeno está presente. En ausencia de oxígeno, el piruvato no se puede oxidar por completo a dióxido de carbono, por lo que se obtienen varios productos intermedios. Por ejemplo, cuando los niveles de oxígeno son bajos, las células del músculo esquelético dependen de la glucólisis para satisfacer sus intensos requerimientos de energía. Esta dependencia de la glucólisis produce la acumulación de un intermedio conocido como ácido láctico, que puede hacer que los músculos de una persona se sientan como si estuvieran “en llamas”. Del mismo modo, la levadura, que es un eucariota unicelular, produce alcohol (en lugar de dióxido de carbono) en entornos deficientes de oxígeno.
Por el contrario, cuando hay oxígeno disponible, los piruvatos producidos por la glucólisis se convierten en la entrada para la siguiente porción de la ruta de energía eucariótica. Durante esta etapa, cada molécula de piruvato en el citoplasma ingresa a la mitocondria, donde se convierte en acetil CoA , un portador de energía de dos carbonos, y su tercer carbono se combina con oxígeno y se libera como dióxido de carbono. Al mismo tiempo, también se genera un operador NADH. El Acetil CoA luego ingresa en una ruta llamada ciclo del ácido cítrico , que es el segundo proceso energético más importante utilizado por las células. El ciclo del ácido cítrico de ocho pasos genera tres moléculas más de NADH y otras dos moléculas transportadoras: FADH y GTP
Metabolismo en una célula eucariota: glucólisis, ciclo del ácido cítrico y fosforilación oxidativa
La glucólisis tiene lugar en el citoplasma. Dentro de la mitocondria, el ciclo del ácido cítrico ocurre en la matriz mitocondrial, y el metabolismo oxidativo ocurre en las membranas mitocondriales plegadas internas (crestas).
El tercer proceso principal en la ruta de la energía eucariótica implica una cadena de transporte de electrones , catalizada por varios complejos proteicos localizados en la membrana interna mitocondrial. Este proceso, llamado fosforilación oxidativa, transfiere electrones de NADH y FADH a través de los complejos proteicos de la membrana, y finalmente al oxígeno, donde se combinan para formar agua. A medida que los electrones viajan a través de los complejos proteicos de la cadena, se forma un gradiente de iones de hidrógeno o protones a través de la membrana mitocondrial. Las células aprovechan la energía de este gradiente de protones para crear tres moléculas adicionales de ATP por cada electrón que viaja a lo largo de la cadena. En general, la combinación del ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa produce mucha más energía que la fermentación: ¡15 veces más energía por molécula de glucosa! Juntos, estos procesos que ocurren dentro de la mitocondria, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa, se conocen como respiración , un término usado para procesos que acoplan la absorción de oxígeno y la producción de dióxido de carbono (Figura 6).
La cadena de transporte de electrones en la membrana mitocondrial no es la única que genera energía en las células vivas. En plantas y otras células fotosintéticas, los cloroplastos también tienen una cadena de transporte de electrones que cosecha energía solar. A pesar de que no contienen mithcondria o chloroplatss, los procariotas tienen otros tipos de cadenas de transporte de electrones que producen energía dentro de sus membranas plasmáticas que también generan energía.
¿Cómo mantienen las células la energía en reserva?
Cuando la energía es abundante, las células eucariotas crean moléculas más grandes y ricas en energía para almacenar su exceso de energía. Los azúcares y las grasas resultantes, en otras palabras, polisacáridos y lípidos, se mantienen en depósitos dentro de las células, algunos de los cuales son lo suficientemente grandes para ser visibles en las micrografías electrónicas.
Las células animales también pueden sintetizar polímeros ramificados de glucosa conocidos como glucógeno , que a su vez se agregan en partículas que se pueden observar mediante microscopía electrónica. Una célula puede movilizar rápidamente estas partículas siempre que necesite energía rápida. Los atletas que “cargan carbohidratos” comiendo pasta la noche antes de una competencia están tratando de aumentar sus reservas de glucógeno. Sin embargo, en circunstancias normales, los seres humanos almacenan el glucógeno suficiente para proporcionar un día de energía. Las células vegetales no producen glucógeno, sino que fabrican diferentes polímeros de glucosa conocidos como almidones , que almacenan en gránulos.
Además, tanto las células vegetales como las animales almacenan energía al derivar la glucosa en las vías de síntesis de grasa. Un gramo de grasa contiene casi seis veces la energía de la misma cantidad de glucógeno, pero la energía de la grasa está menos disponible que la del glucógeno. Aún así, cada mecanismo de almacenamiento es importante porque las células necesitan depósitos de energía tanto a corto como a largo plazo. Las grasas se almacenan en gotitas en el citoplasma; Las células adiposas están especializadas en este tipo de almacenamiento porque contienen gotas de grasa inusualmente grandes.
Conclusión
Las células necesitan energía para cumplir las tareas de la vida. Comenzando con fuentes de energía obtenidas de su entorno en forma de luz solar y moléculas de alimentos orgánicos, las células eucariotas producen moléculas ricas en energía como ATP y NADH a través de vías de energía que incluyen la fotosíntesis, la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa. Cualquier exceso de energía se almacena en moléculas más grandes y ricas en energía, como polisacáridos (almidón y glucógeno) y lípidos.
