Procesos metabólicos y homeostáticos
- 1. Una célula cuenta, por sí misma, con toda la maquinaria necesaria para poder sobrevivir. Mientras el núcleo contiene el material genético con las «instrucciones» para el funcionamiento de la célula, el citoplasma encierra sustancias y estructuras capaces de desempeñar todas las funciones vitales: nutrirse, respirar, sintetizar proteínas, depurarse eliminando desechos, etc. El conjunto de los procesos que tienen lugar dentro de la célula constituye el metabolismo. Levaduras vistas con el MO (1 000 x). Investigador efectuando estudios del metabolismo por medio de una micropipeta automática y de una centrífuga refrigerada. 72 Metabolismo celular 4 Unidad • Reconocer la acción enzimáti ca en los procesos metabóli cos a partir de la descripción del modelo de acción, la expe rimentación para determinar las condiciones optimas reque ridas para la acción enzimática e interpretación de los datos que permitan reconocer la acción de control que cumplen las enzimas en los organismos. • Explicar los procesos metabó licos en los seres vivos sobre la base de la comparación de procesos anabólicos y cata bólicos, la experimentación e interpretación de estos procesos como evidencia del flujo de materia y energía que permiten el equilibrio en el mantenimiento de la vida. • Explicar el flujo de materia y energía en el nivel productor, a partir de la descripción del proceso de la fotosíntesis, su importancia para los seres vi vos, desde el análisis de datos, interpretación de diagramas que permitan determinar los factores y reacciones químicas que intervienen en la transfor mación de energía lumínica a química, la producción de ali mento y el reciclaje de carbono y oxígeno. • Analizar el flujo de materia y energía en el nivel consumi dor, a partir de la descripción del proceso de la respiración celular, con experimentación e interpretación de datos que permitan comprender la ob tención de energía a nivel celu lar y flujo de materia y energía entre los niveles productores y consumidores. Destrezas con criterio de desempeño: ¿Por qué no sería posible la vida si no hubiera reacciones químicas en las células que constituyen los seres vivos? ¿Qué diferencia hay entre el anabolismo y el catabolismo? ¿Qué son las enzimas y cuál es su función en el metabolismo? Conocimientos previos 2.2 Unidad BECU_B2_U4_P72_97.indd 72 7/9/14 12:24 PM
- 2. 79 ¿Cuáles son las principales diferencias y similitudes entre los procesos metabólicos aeróbicos y anaeróbicos? Explica. Trabajo individual 1. Indica en qué compartimentos celulares se realiza cada una de las fases de la degradación aeróbica de la glucosa. 2. Explica qué moléculas o qué iones atraviesan la membrana mitocondrial durante este proceso. 3. Responde: ¿De dónde proceden las dos moléculas de CO2 desprendidas en el ciclo de Krebs? 4. Argumenta por qué el ciclo de Krebs se considera una vía catabólica aeróbica si no se necesita oxígeno para realizarse. Tarea Importancia de la respiración celular La respiración celular permite a los seres vivos obtener energía a partir de los electrones que constituyen los enlaces químicos de las moléculas. Tanto en las células animales como vegetales, esta energía es convertida en moléculas altamente energéti cas de ATP. La transformación de la energía en ATP, por lo general, requiere oxígeno y ocurre en gran parte de los organismos procariotas y eucariotas. Para estos seres vivos, la respiración aeróbica es el modo de obtener energía a partir de moléculas de glucosa. Otros compuestos son también fuente de energía. Por ejemplo, muchas especies anima les, inclusive el ser humano, obtienen gran parte de su energía a partir de la oxidación de ácidos grasos; de la misma manera pueden ser también utilizados los aminoácidos. En estos casos, la oxidación de la glucosa no es la fuente primaria de energía. Existen otros organismos que obtienen su energía a partir de reacciones químicas que no requieren oxígeno, como la respiración anaeróbica y la fermentación. La siguiente tabla presenta un resumen de la respiración celular aeróbica. La fermentación ocurre en organismos como los hongos, las bacterias y en algunos casos en los animales, especialmente en sus células musculares. Se caracteriza por ser una vía anaeróbica en la que no se presenta un gradiente de electrones para obtener la energía. Las moléculas de ATP se producen por medio de la fosforilación del sustrato durante la glucólisis. En este proceso se forman dos moléculas de ATP por cada una de glucosa. En la fermentación las moléculas de NADH traspasan los hidrógenos a moléculas orgánicas; de esta manera se regenera el NAD + que mantiene activa la glucólisis. Fermentación y respiración anaeróbica: ejemplos de catabolismo Resumen de los procesos del catabolismo de la glucosa. Pasos de la respiración Reactivos iniciales Principales productos Resumen del proceso Glucólisis Glucosa, ADP, fósforo norgánico (Pi), NAD+ y ATP Piruvato, NAHD, ATP A partir de glucosa se forma el piruvato en presencia o ausencia de O2 . Se libera H2 y se obtienen dos moléculas de ATP. Formación de acetil Co A Piruvato, coenzima A Acetil Co A, NADH, CO2 El piruvato se desdobla y se combina con el acetil CoA. Ocurre liberación de H2 y CO2 . Ciclo de Krebs Acetil Co A, H2 O CO2 , NADH, FADH2 , ATP Mediante una secuencia de reacciones del grupo acetilo del acetil CoA, se produce CO2 y se libera H2 . Sistema de transporte de electrones NADH, O2 , FADH2 ATP, H2 O A través de varias moléculas aceptoras de H2 ocurre el transporte de electrones. A lo largo del gradiente se libera energía para la síntesis de ATP. La respiración anaeróbica caracteriza algunos tipos de bacterias, que habitan sitios con bajas concentraciones de oxígeno, como suelos arcillosos y aguas estancadas. Al igual que la respiración aeróbica, en los procesos de respiración anaeróbica se oxida la glucosa, que transfiere electrones al NADH, para obtener energía a partir de la interacción entre el gradiente de transporte de electrones y la síntesis de ATP. En la respiración anaeróbica, el aceptor final de electrones no es el oxígeno (como ocu rre en la respiración aeróbica); otros compuestos inorgánicos, como el nitrato y el sulfato, son los que desempeñan esa función. Los principales productos del proceso de respiración anaeróbica son el CO2, una o varias sustancias inorgánicas reducidas y el ATP. Visita la página web del Departamento de Biología y Geología goo.gl/RTpf2 para ver animaciones de la respiración celular. TIC BECU_B2_U4_P72_97.indd 79 7/9/14 12:24 PM
- 3. ¿Qué hace que en nuestro cuerpo todas las células funcionen en armonía y equilibrio, o que, ante distintos factores (ya sean ambientales, estrés, infecciones, etc.) sepan cómo responder para seguir funcionando como el más perfecto de los engranajes? Actúan mecanismos de autorregulación que permiten mantener ese medio interno en equilibrio de forma constante, ante las distintas variaciones del medio externo. El término homeostasis (del griego homós, ‘igual’; y stásis, ‘detención, estabilidad’) fue desarrollado por el fisiólogo francés Claude Bernard (1813-1878), y se refiere a la capacidad del organis- mo para mantener constante el medio interno frente a las grandes fluctuaciones externas, por mecanismos de regulación y ajuste. La homeostasis se logra gracias al funcionamiento coordinado de todos los tejidos y órganos de los sistemas corporales. En los mamíferos, este papel regulador e integrador es desempeñado por el sistema nervioso. El estado de constancia o de equilibrio del medio interno, aun frente a las varia ciones del medio externo, se denomina homeostasis; y cuando se altera el funcio- namiento del organismo, es afectado. Para mantener el equilibrio interno, los seres vivos deben regular su temperatura y su medio químico, a través del balance hídrico; además de tener la capacidad de hacer frente a agentes patógenos por medio del sistema inmune, como vimos anteriormente. En la Tierra, la temperatura es muy variable. Sin embargo, la mayoría de los seres vivos puede desarrollarse en un rango que oscila entre los 0 ºC y los 45 ºC. Estos límites se deben al punto de congelación del agua y a la temperatura límite en que muchas proteínas aún pueden mantener su funcionamiento, sin perder su estructura química. Cualquier modifi- cación térmica en el ambiente puede causar un cambio en la temperatura del organismo, salvo que este disponga de algún sistema para controlarla. • Los invertebrados, peces, anfibios y reptiles adecúan su temperatura corporal de acuer- do con las variaciones de la temperatura del ambiente, por eso, dependen de fuentes de calor externas, como la radiación solar. Reciben el nombre de poiquilotermos (del griego poikilos, ‘variable, cambiante’; y thermós, ‘caliente, temperatura’). • Las aves y los mamíferos mantienen constante su temperatura corporal aunque varíe la del ambiente; se denominan homeotermos. Para adaptarse a las bajas temperaturas, los homeo- termos generalmente se aíslan, y se produce un aumento del plumaje en las aves y del pelaje en los mamíferos. Los animales terrestres más pequeños tienen un ritmo metabólico elevado, por lo cual necesitan comer en gran cantidad. Como en el invierno el alimento escasea, anima- les como las ardillas, los lirones, los erizos, los murciélagos y los colibríes, por ejemplo, deben disminuir todas sus funciones vitales y entrar en un período llamado hiber nación. Durante este lapso metabolizan las reservas de grasas que acumularon durante el verano. El ciclo anual de hibernación depende de la duración de las horas de luz y de factores endócrinos. Los mamíferos de vida acuática, como las ballenas, delfines y focas, tienen una gruesa capa de grasa subcu- tánea como aislante. Entonces, su temperatura superficial es inferior a la del resto del cuerpo y parecida a la del agua que los rodea. Las aletas y la cola, que no poseen grasa, aplican otro mecanismo que veremos en la página siguiente. Luego del período de hibernación, el erizo debe alimentarse para recuperar la grasa corporal perdida y volver así a estar preparado para poder enfrentar los próximos fríos. 211 Homeostasis Los animales que no pueden regular su temperatura interna tienen alguna ventaja respecto de los que sí lo hacen. Indaga cuál puede ser esta ventaja. Luego, analiza si tienen alguna desventaja. Trabajo individual BECU_B3.7_P204-224.indd 211 7/9/14 12:36 PM
- 4. 212 Mecanismos fisiológicos de regulación de la temperatura ¿Cuáles son las estrategias fisiológicas con las que la evolución ha favorecido a los mamíferos para mantener constante su temperatura? Veamos algunas de ellas. • Sudoración. En días cálidos, una persona aclimatada puede perder 1,5 l de sudor por hora, y una persona no aclimatada, hasta 4 l por hora. Esto determina que, en el primer caso, la termorregulación sea más eficiente y el calor ambiental afecte en menor grado al organismo. • Perspiración insensible. Diariamente, cada persona pierde más de 500 ml de agua a través de la piel sin percibirlo. Este líquido proviene de las células y de los tejidos, de donde sale por simple difusión. Este volumen de agua es el que se impregna en la ropa y le confiere un olor característico a cada persona. • Vasoconstricción periférica. En el hipotálamo están los centros nerviosos sim páticos que envían señales que hacen disminuir el diámetro de los vasos cutáneos periféricos. Así, se reduce la pérdida de calor desde la sangre al ambiente. • Piloerección. La estimulación nerviosa del sistema simpático provoca la contrac ción de los músculos erectores, ubicados en la base de los pelos, y hace que estos se eleven. En los animales con el cuerpo cubierto de pelos, la piloerección determina que una capa de aire quede retenida entre ellos, la cual se calienta rápidamente por la conducción del aire y actúa como un aislante térmico. • Las superficies corporales con pocos pelos o sin ellos, como las axilas, la ingle o el escroto, favorecen la pérdida de calor. • Termogénesis química. Consiste en la producción de calor por medio de las reac ciones químicas propias del metabolismo. • Espasmos musculares. En el hipotálamo se encuentra el termostato del organis mo, que consiste en estructuras nerviosas encargadas de controlar y regular la tem peratura corporal. En condiciones normales, se halla inhibido; pero cuando llegan a él señales de frío procedentes de la médula espinal y de la piel, desencadena un aumento del tono muscular y produce una serie de espasmos musculares, conocidos como tiritones o escalofríos. El movimiento constante de la musculatura genera calor y contribuye a la termorregulación. • Ciclos de hipertermia. Algunas especies se comportan de forma muy activa durante un tiempo y, después, pasan a la inactividad, hasta que disipan el calor acumulado. Mecanismo de contracorriente de la aleta del delfín. Las extremidades de muchos animales, como las aletas de los defines, son delgadas y amplias. Cuando necesita perder calor, este se disipa a través de una superficie amplia. Para conservarlo, se activa un mecanismo de contracorriente que intercambia calor en tre la sangre venosa y la arterial. La sangre arterial caliente se dirige hacia las extremidades, pero en la zona de intercambio, cede calor a la venosa, la cual hace retornar calor al interior del cuerpo. TRANSFERENCIA DE CALOR Vena Arteria 36 °C 32 °C 28 °C 24 °C 37 °C 33 °C 29 °C 25 °C hipertemia (del griego hyper, ‘más allá de, más que’, y thermón, ‘calor’). Temperatura corporal anormalmente elevada. perspiración (del latín perspirare, ‘respirar a través de’). Pérdidas de agua por evaporación a través de las superficies húmedas del cuerpo, no causadas por la acción secretora de las glán dulas. Glosario Sangre venosa fría Sangre arterial caliente Visita la página web goo.gl/RPDI6 de la Revista Ecología Aplicada para leer más sobre los mecanismos de regulación homeostáticos. Luego, elabora un organizador gráfico para sintetizar la información. Tarea TIC BECU_B3.7_P204-224.indd 212 7/9/14 12:36 PM