2.5. Célula eucariótica. Función de nutrición.

2.5. Célula eucariótica. Función de nutrición.

Las células, y el organismo en su conjunto, han de obedecer las mismas leyes de la Física y la Química que rigen todo el Universo. Sin embargo, a primera vista, los seres vivos parecen contradecir la segunda ley de la termodinámica, según la cual, el grado de desorden del Universo y de cualquier sistema aislado sólo puede aumentar.

En cambio, los seres vivos mantienen, a todos los niveles, un elevado orden interno. A partir de materiales alimenticios simples construyen complejas macromoléculas y estructuras, y sofisticados sistemas de coordinación funcional. Desde luego, se puede decir que los sistemas vivos son los más ordenados, inestables e improbables que se conocen.

Pero, para evitar el destino natural que predice la segunda ley de la termodinámica, los seres vivos hemos de pagar un precio; para mantener la impecable organización celular o pluricelular, los seres vivos necesitamos un aporte constante de energía externa (y de materiales para reparar o construir nuevas estructuras). Es decir, es necesaria la nutrición, la degradación de algún tipo de combustible energético externo para mantener nuestro propio orden interno; cuando cesa la nutrición y el aporte energético, se produce la muerte, y el cadáver se descompone y desorganiza.

Los eucariotas unicelulares deben capturar e ingerir el alimento por sus propios medios, digerir (en los heterótrofos) «presas» o partículas relativamente grandes y eliminar las sustancias de desecho

En cualquier caso, en la nutrición celular se pueden diferenciar varias fases: ingestión de nutrientes, digestión intracelular (inexistente en procariotas y muy reducida en las células vegetales), metabolismo y secreción de sustancias y excreción de desechos.

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2.5.1. Concepto de nutrición. Nutrición autótrofa y heterótrofa.

La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales un organismo obtiene la materia para construir sus propios componentes y la energía para mantener su actividad vital. Aplicada a las células, la nutrición celular tendría un significado equivalente: la nutrición de un organismo pluricelular sólo es posible si se lleva a cabo la nutrición de cada una de sus células.

Dependiendo de cuál sea la fuente de materia, se pueden diferenciar dos tipos de nutrición: autótrofa y heterótrofa.

 a) Autótrofa: las células autótrofas toman como nutrientes sustancias inorgánicas sencillas y, a partir de ellas, son capaces de sintetizar la materia orgánica que necesitan. La producción de materia orgánica pueden llevarla a cabo mediante reacciones de dos tipos:

- Fotosintéticas: la energía necesaria procede de la luz solar. Realizan estas reacciones las plantas verdes y algunas bacterias, es decir, aquellos organismos en los que están presentes pigmentos asimiladores.

- Quimiosintéticas: la energía necesaria la obtienen de las reacciones de oxidación reducción exotérmicas que se producen en el medio ambiente. Estas reacciones son llevadas a cabo por determinadas bacterias.

Para todas ellas la fuente de donde procede el carbono necesario para la síntesis de los compuestos orgánicos es el dióxido de carbono de la atmósfera, el cual se fija a un compuesto previamente reducido. La gran mayoría obtiene el hidrógeno reductor del agua, por lo que se produce como subproducto el oxígeno, que es expulsado a la atmósfera.

b) Heterótrofa: las células heterótrofas, para alimentarse, necesitan tomar materia orgánica ya elaborada, pues son incapaces de utilizar la energía del medio para fabricar directamente compuestos orgánicos a partir de materia inorgánica. Son heterótrofas todas las células que carecen de pigmentos asimiladores.

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2.5.2. Ingestión.

Uno de los procesos necesarios en la nutrición  y el primero que se da, es la ingestión de nutrientes por parte de la célula, proceso que no se da en aquellas células donde la digestión es un proceso extracelular (ejemplo de ello son los hongos).

         El mecanismo que se lleva a cabo en este proceso,  depende de que se trate de pequeñas moléculas e iones  o de la ingestión de macromoléculas y partículas más o menos grandes.

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2.5.2.1. Permeabilidad celular: difusión y transporte.

La membrana ejerce una permeabilidad altamente selectiva para el paso de sustancias entre el exterior, sea éste el medio intercelular u otra célula, y el interior; permeabilidad selectiva que resulta muy importante por tres razones:

- para proteger la integridad de la célula

- para mantener las condiciones químicas de forma que el metabolismo celular pueda llevarse a cabo

- para coordinar la actividad del conjunto de células que forman un organismo pluricelular.

Aunque al referirse a membrana se va a, pensar en la membrana plasmática, habrá de tenerse en cuenta que lo que se mencione es también de aplicación  para el conjunto de membranas que constituyen los diferentes orgánulos celulares y la membrana nuclear.

Las membranas celulares son selectivamente permeables o semipermeables, pues permiten el paso de determinadas moléculas o iones y restringen el de otros:

- Algunas moléculas no polares de pequeño tamaño (como el oxígeno y el nitrógeno molecular), moléculas polares sin carga (como el agua o el dióxido de carbono) o solubles en lípidos (ácidos grasos y alcoholes) pueden atravesar la membrana libremente.

- Las moléculas con carga, como los ácidos orgánicos, aminoácidos y otros iones (H⁺, Na⁺, Cl^-, K⁺, etc.), no pueden atravesar la membrana y tienen que utilizar proteínas de transporte específicas. 

En relación con el gasto energético que las proteínas transportadoras que se encuentran en la membrana requieren para cumplir su función, se distinguen dos tipos principales de transporte: transporte pasivo y transporte activo. 

Transporte pasivo 

Se denomina pasivo porque no implica consumo alguno de energía por parte de la célula. Para llevarlo a cabo se aprovecha el gradiente químico y se ha de tener en cuenta que la membrana plasmática es permeable al agua y sustancias apolares. También hay que tener en cuenta el tamaño de la molécula, cuanto más pequeña más rápidamente se dará. Puede tener lugar por diferentes mecanismos.

a) Difusión simple : ha de existir un gradiente de concentración entre ambos lados de la membrana y el paso de sustancias se realizará a favor del mismo. A mayor gradiente, mayor rapidez en el transporte. Es necesario que las sustancias sean hidrófobas para así disolverse en la matriz lipídica de la membrana. Así, se mueven sustancias tales como el O₂, el CO₂, ciertos iones, etc. También existe la posibilidad de que se lleve a cabo la difusión simple para sustancias menos hidrófobas; en este caso, es necesaria la colaboración de ciertas proteínas integrales de membrana que crean poros temporales, por los que las moléculas pueden pasar de un lado otro de la misma; son las denominadas proteínas canal.

b) Difusión    facilitada :    se va a producir a favor de gradiente y, nuevamente, es preciso la colaboración de proteínas de membrana, denominadas permeasas. Estas proteínas tienen una alta especificidad estructural para la molécula que van a transportar, de modo que se unen a ella; tras la unión sufren un cambio conformacional que permite la translocación de la molécula a través de la membrana, soltándola una vez se encuentra en el otro lado y recuperando así la estructura original.

Transporte activo 

El transporte activo implica un gasto de energía necesaria para vencer el gradiente contra el que se  realiza el mismo. Este tipo de transporte tiene dos características fundamentales por un lado, la necesidad de que existan unas proteínas integrales de membrana, denominadas transportadoras ,  que actuarán a modo de bombas de impulsión de las sustancias, y, por otro, la hidrólisis de ATP  a ADP para la obtención de la mencionada energía.

Quizá el modelo mejor conocido sea la llamada bomba de sodio-potasio. Este transporte permite que se mantengan las diferencias de potenciar químico entre ambos lados de la membrana: la concentración de Na⁺ es mucho menor en el interior que en el exterior, a pesar de que la entrada de dicho ión está facilitada, ya que el interior celular es eléctricamente negativo, y la concentración de K⁺ es mucho menor en el exterior que en el interior. Lo más interesante del modelo es que la fosforilación y defosforilación de la proteína llevan consigo cambios conformacionales que permiten el transporte.

Se consideran tres tipos de moléculas transportadoras, distinguiéndose aquéllas que transportan sólo una molécula cada vez y otras en las que el transporte de dos moléculas diferentes está compaginado, hablándose en estos casos de sistemas acoplados o cotransportadores:  

- Uniporte: moléculas transportadoras que conducen una sola molécula y en un solo sentido.

- Simporte: sistema acoplado en el que la molécula transportadora mueve dos moléculas de forma simultánea y en el mismo sentido.

- Antiporte: sistema acoplado en el que se produce el transporte de dos moléculas, de forma simultánea o sucesiva, pero en sentido contrario. Éste es el caso de la bomba de sodio-potasio.

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2.5.2.2. Endocitosis: pinocitosis y fagocitosis.

Las moléculas pequeñas pueden atravesar la membrana por difusión simple o facilitada, o por procesos de transporte activo.

La entrada de grandes moléculas (macromoléculas) o de partículas complejas en el interior de la célula se lleva a cabo mediante procesos de endocitosis, estos procesos suponen un gasto energético y el tránsito controlado de vesículas a través de la célula.

La endocitosis es un proceso por el cual la membrana plasmática de la célula se invagina englobando las partículas del medio y forma una vesícula.

Una vez en el interior de la célula, las vesículas de endocitosis pueden seguir dos caminos:

- Digestión. En general, las vesículas de endocitosis se fusionan con lisosomas primarios para formar vacuolas digestivas. Los productos de la digestión se incorporarán posteriormente al metabolismo celular.

- Tránsito intracelular o transcitosis. Algunas vesículas de endocitosis simplemente transportan su contenido desde un punto a otro de la célula. Por ejemplo, en las células que revisten los vasos sanguíneos se transportan sustancias desde la sangre hasta los tejidos periféricos.

Algunos procesos de endocitosis (endocitosis mediada por receptor) implican la selección de macromoléculas específicas, especialmente importantes para el organismo, para lo cual se produce la asociación de las mismas a puntos determinados de la membrana. La cara externa de la membrana contiene receptores específicos de la molécula en cuestión, mientras que su cara interna está asociada a una proteína filamentosa (la clatrina). Las vesículas así formadas se denominan vesículas revestidas. El revestimiento se pierde una vez que se internaliza la vesícula, que posteriormente se unirá a distintos compartimentos celulares.

En función del tamaño y la naturaleza de las partículas ingeridas, la endocitosis puede ser de dos tipos: Pinocitosis y fagocitosis. 

Pinocitosis. Es la ingestión de pequeñas partículas o líquidos, mediante la formación de vesículas muy pequeñas, solo visibles al microscopio electrónico. Se da en todo tipo de células.

Fagocitosis. Consiste en la ingestión de partículas de gran tamaño, organismos vivos o restos celulares que forman unas vesículas, visibles al microscopio óptico, denominadas vesículas o vacuolas de fagocitosis (fagosomas). Este proceso de endocitosis es característico de ciertas células del sistema inmunitario, como los macrófagos y neutrófilos, que ingieren partículas extrañas. Constituye, así mismo, el mecanismo de captura de alimento de algunos grupos de protistas, como amebas, flagelados y ciliados, que son organismos fagótrofos.

La fagocitosis se produce tras la formación de grandes pseudópodos (expansiones hialinas y transitorias del citoplasma y la membrana celular), que rodean las partículas que van a ser ingeridas hasta originar una vesícula de fagocitosis.

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