Conceptos Fundamentales de Bioquímica y Fisiología Celular

Metabolismo Energético Celular

Glicólisis

La glicólisis es un proceso metabólico que se produce en el citosol de la célula. Es un proceso exergónico, lo que significa que libera energía. Para iniciar esta cadena de reacciones, se requieren 2 moléculas de ATP. Al final del proceso, se obtienen los siguientes compuestos energéticos que pueden pasar a otros ciclos:

• 2 moléculas de ATP (neto)
• 2 moléculas de NADH
• 2 moléculas de piruvato (resultado final)

La enzima clave que produce la división de la molécula de glucosa en este ciclo es la aldolasa.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Ciclo de Krebs, también conocido como Ciclo del Ácido Cítrico, se realiza en la matriz mitocondrial. Es un proceso exergónico. A partir de una molécula de Acetil-CoA, se genera una molécula de oxalacetato, que es una molécula de 4 carbonos y se regenera en cada vuelta del ciclo. La producción total por cada molécula de Acetil-CoA que entra al ciclo es:

• 6 moléculas de NADH
• 2 moléculas de FADH₂
• 2 moléculas de GTP (que se convierte rápidamente en ATP)

Transporte a Través de la Membrana Plasmática

Transporte Activo

El transporte activo es un proceso que requiere energía para mover moléculas a través de la membrana plasmática, generalmente en contra de su gradiente de concentración. Siempre debe estar mediado por una proteína transportadora. Un ejemplo es el cotransporte, donde una molécula se mueve a favor de su gradiente para impulsar el movimiento de otra en contra de su gradiente (transporte activo secundario).

Transporte Pasivo

El transporte pasivo no requiere energía y mueve moléculas a favor de su gradiente de concentración. Se distinguen dos tipos principales:

• Las moléculas hidrofóbicas pequeñas (como gases o lípidos) pueden pasar directamente a través de la bicapa lipídica sin mediador (difusión simple).
• Las moléculas hidrofílicas (como iones o moléculas polares grandes) requieren un mediador (canales o transportadores) para cruzar la membrana (difusión facilitada).

Mecanismos de Transporte de Moléculas por la Membrana

Los mecanismos de transporte a través de la membrana plasmática son diversos:

• Los canales iónicos son proteínas transmembrana que permiten el paso rápido de iones y pueden ser regulados por:
  • Voltaje (cambios en el potencial de membrana).
  • Ligando (unión de una molécula específica).
  • Mecánicamente (estímulos físicos).
• Los transportadores (o proteínas transportadoras) son proteínas que se unen a solutos específicos y los mueven a través de la membrana. Su regulación puede estar asociada a las concentraciones de iones.
• La velocidad de transporte de un soluto a través de un transportador está directamente asociada a la afinidad del soluto por su sitio activo en la proteína transportadora.
• El transporte acoplado es un tipo de transporte activo secundario donde el movimiento de dos solutos está acoplado. Un ejemplo es el simporte, donde ambas moléculas se mueven en la misma dirección.
• La membrana plasmática es permeable a moléculas hidrofóbicas pequeñas. Las moléculas que no son permeables por difusión simple (como iones, moléculas polares grandes o macromoléculas) utilizan transporte activo o difusión facilitada.

Bombas Transportadoras

Las bombas transportadoras son proteínas que realizan transporte activo primario, utilizando directamente la energía del ATP. Ejemplos incluyen:

• Las bombas de tipo F (F-ATPasa) que, en el contexto de la respiración celular, sintetizan ATP utilizando un gradiente de protones.
• La bomba de Na⁺/K⁺, que es un ejemplo clásico de bomba de tipo P, fundamental para mantener los gradientes iónicos y el potencial de membrana en las células.

Procesos Metabólicos Específicos

Respiración Celular

La respiración celular es el proceso mediante el cual las células obtienen energía de los nutrientes. Consta de varias fases:

• Una fase citosólica (glicólisis).
• Una fase mitocondrial (Ciclo de Krebs y Cadena de Transporte de Electrones).

El producto final neto de la respiración celular aeróbica es la producción de aproximadamente 32 moléculas de ATP por molécula de glucosa. El ATP es la principal moneda energética de la célula, utilizada para diversas funciones vitales.

Metabolismo del Glucógeno (Corrección de "Gluconeogénesis")

El texto original describía procesos relacionados con el glucógeno, no con la gluconeogénesis (que es la síntesis de glucosa a partir de precursores no carbohidratos). A continuación, se describen aspectos del metabolismo del glucógeno:

• La formación de glucógeno (glucogénesis) es un proceso complejo que requiere la participación de un complejo enzimático y la activación de la glucosa mediante UTP (uridina trifosfato).
• La enzima ramificante es la encargada de unir las cadenas de glucosa para formar las ramificaciones características del glucógeno.
• La enzima desramificante es la que separa las moléculas de glucosa de las cadenas de glucógeno durante su degradación (glucogenólisis).

Sistemas Energéticos

En condiciones de trabajo anaeróbico (sin oxígeno), el piruvato, producto de la glicólisis, se transforma en lactato en el citosol. Este proceso permite la regeneración de NAD⁺, esencial para que la glicólisis continúe produciendo ATP.

Molécula de Glucosa

La glucosa es una molécula fundamental cuya función principal es energética. Es la fuente de energía preferida por la mayoría de las células. En los animales, se almacena en forma de glucógeno (principalmente en hígado y músculo), y en los vegetales, se almacena como almidón.

Señalización Celular y Neurofisiología

Transporte de Señal (Señalización Neuronal)

La transmisión de señales en el sistema nervioso, como el potencial de acción, está mediada principalmente por la apertura y cierre de canales iónicos. Este proceso se produce por la despolarización de la membrana. Las proteínas receptoras y otras proteínas de señalización forman complejos para transmitir la señal dentro y entre las células.

Potencial de Acción

El potencial de acción es una rápida y transitoria inversión del potencial de membrana que permite la transmisión de señales nerviosas. Los movimientos iónicos clave son:

• La entrada de iones Na⁺ (sodio) produce la despolarización de la membrana, llevando el potencial hacia valores positivos.
• La salida de iones K⁺ (potasio) produce la repolarización de la membrana, restaurando el potencial de reposo.

Bioquímica y Estructura Molecular

Cadena de Transporte de Electrones

La Cadena de Transporte de Electrones (CTE) es la etapa final de la respiración celular aeróbica, que ocurre en la membrana interna de la mitocondria. En este proceso, los protones (H⁺) son bombeados al espacio intermembrana, creando un gradiente electroquímico. Este gradiente de protones es el que activa la ATP sintasa (anteriormente conocida como ATPasa), una enzima que utiliza el flujo de protones para sintetizar grandes cantidades de ATP.

Complejos Deshidrogenasa

Los complejos deshidrogenasa son grupos de enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción, eliminando átomos de hidrógeno (y electrones) de sus sustratos. Un ejemplo importante es el complejo piruvato deshidrogenasa, que convierte el piruvato en Acetil-CoA, reduciendo NAD⁺ a NADH y liberando un átomo de carbono en forma de CO₂. Otras deshidrogenasas, como las del Ciclo de Krebs, también reducen NAD⁺ o FAD, generando los transportadores de electrones (NADH y FADH₂) que luego serán oxidados en la Cadena de Transporte de Electrones para producir energía.

Enlaces Químicos y Estructura

Los enlaces dobles en las moléculas tienen un efecto significativo en su estructura tridimensional. A diferencia de los enlaces simples, los enlaces dobles restringen la rotación libre alrededor del eje del enlace, lo que puede dar lugar a isomería geométrica (cis/trans) y afectar la forma general de la molécula.

Organización Biológica

Membrana Plasmática

La membrana plasmática es una estructura fundamental que delimita la célula y regula el paso de sustancias. Su papel es crucial en la excitabilidad celular; por ejemplo, el potencial de acción ocurre gracias a la entrada y salida regulada de iones, como la entrada de iones Na⁺ que inicia la despolarización.

Niveles de Organización Biológica (Ejemplo)

Los niveles de organización biológica describen la jerarquía estructural de la vida. Un ejemplo de esta jerarquía, enfocándose en el tejido adiposo, sería:

Átomos → Ácidos Grasos (moléculas) → Adipocito (célula) → Tejido Adiposo (tejido)

Este ejemplo ilustra cómo componentes más simples se organizan para formar estructuras más complejas con funciones específicas.