Metabolismo Celular: Energía y Transformación

Metabolismo Celular

El metabolismo celular comprende el conjunto de reacciones que ocurren dentro de una célula. Se divide en:

• Reacciones anabólicas: Sintetizan moléculas complejas a partir de precursores más simples.
• Reacciones catabólicas: Degradan biomoléculas complejas en moléculas más simples.

Estas reacciones mantienen constantes las características químicas de la célula, requieren materias primas y producen desechos. Las reacciones anabólicas son endoergonicas (requieren energía), mientras que las catabólicas son exoergonicas (liberan energía).

Energía y Termodinámica

El metabolismo requiere energía. Las moléculas contienen energía potencial química que se libera durante las transformaciones químicas. Los dos principios de la termodinámica son:

1. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
2. Parte de la energía siempre se dispersa en forma de calor.

Los organismos almacenan la energía obtenida de los nutrientes en moléculas de ATP (adenosín trifosfato), que la liberan cuando es necesario. El ATP contiene adenina, ribosa y tres grupos fosfato unidos por enlaces covalentes. La hidrólisis del ATP (ruptura del enlace entre el segundo y tercer grupo fosfato) libera energía:

ATP + H₂O ⇌ ADP + P_i + Energía

Donde ADP es adenosín difosfato y P_i es fosfato inorgánico. El ADP y el P_i se recuperan para sintetizar nuevo ATP mediante la fosforilación.

Membrana Celular

Las membranas celulares tienen tres características principales:

• Filtros selectivos: Permeables solo a ciertas sustancias.
• Dinámicas y flexibles: Su estructura se modifica según las necesidades de la célula.
• Participan en procesos metabólicos.

Su estructura básica es una doble capa de fosfolípidos, con las colas hidrofóbicas enfrentadas y las cabezas hidrofílicas orientadas hacia las soluciones acuosas interna y externa. Existen interacciones entre vesículas del aparato de Golgi y la membrana externa. Contiene proteínas que se desplazan a lo largo de la membrana, colesterol y carbohidratos.

Existen dos tipos de proteínas de membrana:

• Proteínas integrales: Atraviesan la membrana.
• Proteínas periféricas: Se ubican en la superficie interna o externa.

Las proteínas pueden unirse a cadenas de carbohidratos ramificadas o lípidos (glicoproteínas y glicolípidos). El colesterol regula la fluidez de la membrana.

Transporte a través de la Membrana

La membrana utiliza criterios estereoquímicos (composición, polaridad, carga, tamaño, forma tridimensional) para el transporte de sustancias. Existen dos tipos de transporte:

• Transporte pasivo: No requiere energía, es espontáneo.
• Transporte activo: Requiere energía de la hidrólisis del ATP.

La difusión es el movimiento de una sustancia en una solución desde una zona de alta concentración a una de baja concentración (a favor del gradiente). La difusión simple permite el paso de moléculas pequeñas y apolares (O₂ y CO₂) a través de la membrana. Las moléculas más grandes requieren proteínas de transporte (difusión facilitada), como canales y carrier. El agua atraviesa la membrana por difusión y a través de canales llamados acuaporinas.

La ósmosis es el paso del agua a través de una membrana semipermeable (permeable al solvente pero no a los solutos). Las soluciones se clasifican en:

• Isotónicas: Misma concentración de soluto.
• Hipertónicas: Mayor concentración de soluto.
• Hipotónicas: Menor concentración de soluto.

El agua pasa de una solución hipotónica a una hipertónica. La ósmosis es un proceso pasivo.

El transporte activo puede ser uniporte (una molécula en una dirección), simporte (dos moléculas en la misma dirección) o antiporte (dos moléculas en direcciones opuestas). Se divide en:

• Transporte activo primario: El ATP activa la proteína de transporte.
• Transporte activo secundario: El transporte de una sustancia a favor de su gradiente genera un flujo que impulsa el transporte de otra sustancia en contra de su gradiente.

La exocitosis es la salida de moléculas grandes a través de vesículas del aparato de Golgi que se fusionan con la membrana. La endocitosis es la entrada de moléculas a la célula mediante la formación de vesículas. Existen tres tipos de endocitosis:

• Fagocitosis: Ingestión de materiales grandes o células enteras.
• Pinocitosis: Ingestión de partículas disueltas y líquidos.
• Endocitosis mediada por receptores: Proceso más selectivo.

Vías Metabólicas

Una vía metabólica es una secuencia de reacciones catalizadas por enzimas que transforman un sustrato inicial en un producto final. El nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) (NAD⁺ o NADH) participa en muchas vías metabólicas. El NAD⁺ se reduce a NADH al aceptar electrones:

NAD⁺ + RH₂ → NADH + H⁺ + R

El NADH transporta electrones de alta energía y los cede liberando energía:

NADH + H⁺ + R → NAD⁺ + RH₂

Metabolismo de la Glucosa

La glucosa contiene mucha energía química potencial. Su oxidación completa produce CO₂, H₂O y energía:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + Energía (32 ATP)

Este proceso ocurre en etapas e incluye la glucólisis y la respiración celular.

La glucólisis ocurre en el citoplasma y convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato. Se divide en dos fases: inversión (se consumen 2 ATP) y rendimiento (se producen 4 ATP). La glucólisis también produce 2 NADH. La ecuación general es:

Glucosa + 2ATP + 4ADP + 2P_i + 2NAD⁺ → 2 Piruvato + 4ATP + 2ADP + 2NADH + 2H⁺ + 2H₂O

En la respiración celular, el piruvato se oxida completamente en el mitocondrio. Incluye la fase preparatoria, el ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. El CO₂ es un producto de desecho. Este proceso requiere oxígeno (respiración aeróbica).

En ausencia de oxígeno (respiración anaeróbica), se produce la fermentación. Existen dos tipos:

• Fermentación alcohólica: El piruvato se convierte en etanol y CO₂.
• Fermentación láctica: El piruvato se convierte en ácido láctico.