energética celular

Definición de energética celular

Empecemos por la definición de energética celular.

En este resumen, hablaremos de los procesos por los que una célula utiliza la energía y de cómo estos procesos pueden cambiar en función del entorno.

Función de la Energética Celular

Hablemos ahora de la función de la energética celular.

Energía celular

Todos los sistemas vivos necesitan energía constante para funcionar. Como hemos dicho antes, la energética celular es el estudio de cómo los sistemas vivos captan y utilizan la energía. La función de la energía en un sistema vivo es amplia. Por ejemplo, las células pueden utilizar la energía para repararse, para dividirse mitóticamente, para introducir o expulsar moléculas de la célula y para alimentar el metabolismo. Esencialmente, la energía es necesaria para alimentar todas las reacciones biológicas dentro de la célula. La energética celular ayuda a proporcionar esa energía rompiendo las macromoléculas. Y lo que es más importante, la energética celular no se limita a los seres humanos, sino que se extiende también a las plantas e incluso a las bacterias.

Para situar mejor la importancia de la energética celular, imagina que una célula viva es como un frigorífico. Un frigorífico necesita ser alimentado constantemente para mantener su contenido más frío que el ambiente exterior. Siguiendo la segunda ley de la termodinámica, sabemos que el calor fluirá de un objeto caliente a un objeto frío. En nuestra analogía, el calor fluirá de forma natural del entorno exterior al interior del frigorífico. Para contrarrestar este flujo natural, un frigorífico necesita ser alimentado constantemente con energía eléctrica. Del mismo modo, una célula necesita ser alimentada constantemente con energía para evitar la fuga natural de energía. Si una célula no tiene energía suficiente para superar la fuga natural de energía, la célula morirá. Por lo tanto, la energía celular es fundamental para mantener vivas a las células.

Para comprender primero cómo se adquiere y se utiliza la energía en las reacciones biológicas, es necesario un conocimiento básico de las enzimas. Las enzimas son proteínas que se encuentran en casi todas las reacciones biológicas y, sin enzimas, la supervivencia es imposible.

Estructura y función de las enzimas

Nuestro cuerpo realiza miles de reacciones biológicas y químicas cada segundo. Cada una de estas reacciones es fundamental para mantenernos con vida, sin embargo, sin ayuda, pueden tardar demasiado. Las enzimas son catalizadores bi ológicos que aceleran las reacciones químicas a un ritmo mucho más rápido. Aunque las enzimas aceleran la reacción, las propias enzimas no se consumen durante la reacción, lo que significa que permanecen inalteradas durante toda la reacción.

Cada enzima tiene una estructura única que le permite interactuar específicamente con sus socios de unión llamados sustratos. La parte de la enzima que interactúa directamente con el sustrato se denomina sitio activo. Para que una enzima catalice una reacción química, la forma y la carga del sustrato deben ser compatibles con el sitio activo de la enzima. Al igual que una llave no puede abrir todas las cerraduras, una enzima no puede catalizar todas las reacciones. Sólo puede catalizar reacciones en las que el sitio activo y los sustratos sean compatibles (Fig. 2).

Laenergía de activación es la energía necesaria para que se produzca una reacción química. Imagina que intentas encender una cerilla. Simplemente sujetando la cerilla contra la tira de encendido no se enciende la cerilla porque no hay suficiente energía. Se necesita cierta cantidad de fuerza para generar fricción y calor y alcanzar el umbral de energía de activación para encender la cerilla. Las enzimas catalizan las reacciones reduciendo el umbral de energía de activación. Por lo tanto, una reacción catalizada por enzimas necesitaría una menor cantidad de fuerza para encender la cerilla en comparación con una reacción no catalizada. La energía de activación puede representarse mediante el gráfico siguiente (Fig. 3), con los reactantes a la izquierda y los productos a la derecha. La "colina" es la energía de activación que debe superarse para que se produzca la reacción.

Ejemplos de energía celular

Un componente clave de la energética celular es la obtención de energía. Las vías complejas que implican múltiples reacciones se denominan procesos celulares. Dos ejemplos de procesos celulares que pueden utilizarse para obtener energía son la fotosíntesis y la respiración celular. Estos dos procesos utilizan un proceso denominado transferencia de energía para alimentar eficazmente múltiples reacciones químicas de forma secuencial.

Transferencia de energía

Un proceso celular implica una cadena de múltiples reacciones químicas diferentes, cada una con sus propias enzimas únicas. Mientras que algunas reacciones químicas liberan energía, otras requieren energía. Los procesos celulares se consideran secuenciales, lo que significa que el producto de una reacción se convierte en el reactivo de la reacción siguiente. Esto significa que una reacción que libera energía puede acoplarse a una reacción que requiere energía, de modo que la energía liberada por la primera reacción pueda alimentar la energía necesaria para la segunda reacción. De este modo, la energía se transfiere eficazmente de forma controlada.

Fotosíntesis

Lafotosíntesis es el proceso celular mediante el cual los organismos captan y almacenan la energía del sol para producir azúcar. Aunque a menudo pensamos que sólo las plantas realizan la fotosíntesis, es un error creer que la fotosíntesis es exclusiva de las plantas. De hecho, se cree que la fotosíntesis evolucionó a partir de organismos procariotas, como las cianobacterias, que utilizaban la fotosíntesis para captar energía del sol.

Echando un vistazo a la reacción neta de la fotosíntesis que aparece a continuación, podemos ver que los organismos fotosintéticos convierten el dióxido de carbono, el agua y la luz en azúcares simples y oxígeno.

$6C{O}_{\mathit{2}}+6H_{\mathit{2}}O+light\to C_{\mathit{6}}{H}_{\mathit{12}}{O}_{\mathit{6}}+6O_{\mathit{2}}$

Es importante señalar que la ecuación anterior es la reacción neta y que también tienen lugar varias reacciones intermedias que implican la producción de moléculas ricas en energía, como el adenosín 5'-trifosfato (ATP) y el nicotinamida adenín dinucleótido fosfato reducido (NADPH). En general, el ATP es la moneda de la energía. Muchas reacciones biológicas descomponen el ATP para generar energía suficiente para hacer avanzar la reacción química.

En los organismos eucariotas, muchas de estas reacciones intermedias tienen lugar en un orgánulo llamado cloroplasto (Fig. 4). El cloroplasto es un orgánulo de membrana que alberga un pigmento verde llamado clorofila. La clorofila contiene electrones que se excitan al ser alcanzados por la energía solar. Las proteínas de la membrana del cloroplasto, llamadas proteínas de la cadena de transporte de electrones (ETC), utilizarán estos electrones excitados como fuente de energía para impulsar la formación de un gradiente de protones. Finalmente, este gradiente de protones se utilizará para generar ATP, una molécula densa en energía. A continuación, el ATP se transferirá a una región del cloroplasto denominada estroma , donde la energía se utilizará para crear azúcares simples en un proceso denominado ciclo de Calvin.

Respiración celular

Larespiración celular y la fermentación son procesos celulares realizados por todos los organismos vivos que convierten la energía de las macromoléculas biológicas en energía en forma de ATP utilizable por la célula. Aunque en el pasado la respiración celular se expresaba mediante la ecuación neta que aparece a continuación, es importante señalar que, al igual que la fotosíntesis, la respiración celular y la fermentación implican reacciones múltiples catalizadas por enzimas.

$C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2\to 6C{O}_2+6H_{2}O+energy\left(ATP\right)$

Puesto que la energía se forma descomponiendo grandes macromoléculas, como la glucosa, en moléculas más pequeñas, la respiración celular se denomina proceso catabólico. Las principales etapas de la respiración celular son la glucólisis, la oxidación del piruvato, el ciclo de Kreb y la fosforilación oxidativa.

La glucólisis es la descomposición de la glucosa en ATP, NADH y piruvato. A continuación, el piruvato pasa del citosol a la mitocondria, donde se produce la oxidación del piruvato. Dentro de la mitocondria, el ciclo de Kreb implica una serie de reacciones catalizadas por enzimas en las que intervienen intermediarios orgánicos para formar dióxido de carbono, ATP, NADH y _FADH2. La última serie de la respiración celular es la fosforilación oxidativa, que tiene lugar en la membrana mitocondrial interna. Durante la fosforilación oxidativa, se produce una reacción de la cadena de transporte de electrones (ETC) en la que los electrones almacenados de la glucólisis y el ciclo de Kreb en forma de NADH y _FADH2 pasan por las proteínas ETC de la membrana mitocondrial interna (Fig. 5). Al pasar los electrones, se libera energía que se utiliza para alimentar la formación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. La última parada de los electrones desenergizados es el oxígeno. Finalmente, los protones son transportados por su gradiente a través de la ATP sintasa unida a la membrana, que puede alimentar la energía necesaria para fabricar ATP a partir de ADP. El ATP puede utilizarse entonces para proporcionar energía a todos los procesos de la célula.

Aunque la respiración celular se realiza típicamente de forma aeróbica, lo que significa que hay oxígeno presente, en caso de ejercicio extremo en el que la célula no tiene suficiente oxígeno, la glucólisis puede tener lugar de forma anaeróbica, o sin oxígeno, en un proceso llamado fermentación. La fermentación produce ATP, así como alcohol y ácido láctico como productos de desecho.

Desregulación de la energía celular

Hay ciertos casos en los que la energía celular está desregulada. Esto significa que la energía no se capta adecuadamente o que la célula no la utiliza con eficacia. Los dos escenarios principales de desregulación de la energética celular son los cambios ambientales de temperatura y pH y el cáncer.

Cambios ambientales

Recordemos que las enzimas están presentes en casi todas las reacciones biológicas y que sin ellas no podríamos sobrevivir. Las enzimas son proteínas, lo que significa que son muy sensibles a los cambios de temperatura y pH. Los cambios de temperatura provocarán la desnaturalización de la proteína, lo que significa que la proteína se desplegará y cambiará su forma tridimensional. Como la compatibilidad del sitio activo de la enzima y su sustrato es crítica para la función enzimática, una enzima desnaturalizada ya no podrá catalizar una reacción. Del mismo modo, los cambios de pH también pueden desnaturalizar una enzima al romper los enlaces de hidrógeno que mantienen unida la forma de la enzima.

Cáncer

Un rasgo distintivo del cáncer es la desregulación de la energía celular. El cáncer es un crecimiento celular incontrolado que puede extenderse a otras partes del cuerpo. Como el crecimiento requiere energía, el cáncer consume más glucosa que las células normales. Además, puede utilizar otras fuentes de energía, como el glutamato, para proporcionar energía a las células cancerosas. Además, algunas células cancerosas tienen mutaciones de enzimas específicas de la vía de respiración celular que permiten que la respiración celular continúe sin detenerse, proporcionando así una fuente inagotable de energía.

Resumen de la energía celular

En lo anterior, hemos tratado el mecanismo de la energía celular con gran detalle, así como la importancia de la energía celular en los organismos biológicos. Sabemos que la fotosíntesis, que es el proceso de obtención de alimento y energía del sol, sólo se realiza en organismos que contienen orgánulos especiales conocidos como cloroplastos. La respiración celular es otra forma de energía celular que utilizan la mayoría de los organismos biológicos, incluido el ser humano. Los principales pasos de la respiración celular incluyen la glucólisis, la oxidación del piruvato, el Ciclo de Kreb y la fosforilación oxidativa. Cada uno de estos procesos desempeña un papel crucial en el mantenimiento de la homeostasis y muchos factores, como los cambios medioambientales y el cáncer, pueden provocar la alteración de la homeostasis a través de la desregulación de la energía celular.