Fotosíntesis
Las células, al igual que 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 de luz solar. De hecho, el Sol es la fuente de energía por excelencia para casi todas las células, ya que los procariotas fotosintéticos, las algas y las células vegetales aprovechan la energía solar y la utilizan para fabricar las complejas moléculas alimentarias orgánicas de las que dependen otras células para obtener la energía necesaria para mantener el crecimiento, el metabolismo y la reproducción (Figura 1).
Los nutrientes celulares se presentan en muchas formas, como los azúcares y las grasas. Para proporcionar energía a una célula, estas moléculas tienen que atravesar la membrana celular, que funciona como una barrera, pero no infranqueable. Como las paredes exteriores de una casa, la membrana plasmática es semipermeable. De la misma manera que las puertas y las ventanas permiten que las necesidades entren en la casa, varias proteínas que atraviesan la membrana celular permiten que determinadas moléculas entren en la célula, aunque pueden requerir un cierto aporte de energía para realizar esta tarea (Figura 2).
Respiración mitocondrial
NOTA: Se espera que usted haya estudiado este tema en la Biología de la Escuela Secundaria. Es posible que este tema no se cubra en las clases, pero usted es responsable de toda la información de estos apuntes porque es un antecedente importante para los temas de este curso, como la fisiología de las células musculares (capítulo 7). Por favor, familiarícese con este material antes de que lleguemos a esos temas en las clases. Preste especial atención a los términos en negrita y subrayados.
El ácido pirúvico se difunde hacia el compartimiento interno de la mitocondria, donde ocurre una reacción de transición (Fig. 18-3) que sirve para preparar el ácido pirúvico para entrar en la siguiente etapa de la respiración:
Las notas anteriores describen el proceso de catabolismo de los carbohidratos (glucosa) para la producción de ATP. Cuando el suministro de glucosa es adecuado, como por ejemplo poco después del consumo de una comida, la hormona insulina del páncreas aumenta la formación de glucógeno (glucogénesis) en el hígado. Cuando los niveles de glucosa descienden entre las comidas, el páncreas libera la hormona glucagón, que estimula la conversión del glucógeno en glucosa (mediante el proceso de glucogenólisis). Si se agotan las reservas de glucógeno, otras sustancias del organismo se convierten en glucosa o en productos intermedios que pueden entrar en la vía de la respiración celular mencionada anteriormente. La conversión de ácidos grasos (de los lípidos) o de aminoácidos (de las proteínas) en glucosa o productos intermedios se denomina gluconeogénesis (p. 500).
Glucólisis
Los microorganismos, como las cianobacterias, pueden atrapar la energía de la luz solar mediante el proceso de fotosíntesis y almacenarla en los enlaces químicos de las moléculas de carbohidratos. El principal carbohidrato que se forma en la fotosíntesis es la glucosa. Otros tipos de microorganismos, como las bacterias no fotosintéticas, los hongos y los protozoos, no pueden realizar este proceso. Por lo tanto, estos organismos deben depender de los carbohidratos preformados en el medio ambiente para obtener la energía necesaria para sus procesos metabólicos.
La respiración celular es el proceso por el que los microorganismos obtienen la energía disponible en los hidratos de carbono. Llevan los carbohidratos a su citoplasma y, mediante una compleja serie de procesos metabólicos, descomponen el carbohidrato y liberan la energía. Por lo general, la energía no se necesita inmediatamente, por lo que se utiliza para combinar el ADP con los iones fosfato para formar moléculas de ATP. Durante el proceso de respiración celular, se desprende dióxido de carbono como producto de desecho. Este dióxido de carbono puede ser utilizado por las células fotosintéticas para formar nuevos carbohidratos. También en el proceso de la respiración celular, se necesita gas oxígeno para servir como aceptor de electrones. Este gas oxígeno es idéntico al que se desprende en la fotosíntesis.
Fosforilación oxidativa
Esta atractiva hoguera puede utilizarse tanto para obtener calor como luz. El calor y la luz son dos formas de energía que se liberan cuando se quema un combustible como la madera. Las células de los seres vivos también obtienen energía “quemando”. Queman” glucosa en el proceso llamado respiración celular.
Dentro de cada célula de todos los seres vivos se necesita energía para llevar a cabo los procesos vitales. Se necesita energía para descomponer y construir moléculas y para transportar muchas moléculas a través de las membranas plasmáticas. Todo el trabajo de la vida necesita energía. Además, gran parte de la energía se pierde simplemente en el medio ambiente en forma de calor. La historia de la vida es una historia de flujo de energía: su captura, su cambio de forma, su uso para el trabajo y su pérdida como calor. La energía, a diferencia de la materia, no puede reciclarse, por lo que los organismos necesitan un aporte constante de energía. La vida funciona con energía química. ¿De dónde obtienen los organismos vivos esta energía química?
La energía química que necesitan los organismos proviene de los alimentos. Los alimentos están formados por moléculas orgánicas que almacenan energía en sus enlaces químicos. La glucosa es un carbohidrato simple con la fórmula química \(\mathrm{C_6H_{12}O_6}\). Almacena energía química en una forma concentrada y estable. En su cuerpo, la glucosa es la forma de energía que se transporta en la sangre y es tomada por cada uno de sus trillones de células. Las células realizan la respiración celular para extraer energía de los enlaces de la glucosa y otras moléculas de los alimentos. Las células pueden almacenar la energía extraída en forma de ATP (trifosfato de adenosina).