Funciones Biológicas Esenciales: Nutrición, Relación y Reproducción Celular y Organísmica
La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales los organismos intercambian materia y energía con su entorno.
La Nutrición en las Células
Se desarrolla en tres fases:
- La entrada de materiales a la célula.
- La utilización de la materia y de la energía.
- La excreción de los productos de desecho.
Entrada de Materiales a la Célula
Las sustancias necesarias para la nutrición (nutrientes) entran en las células a través de mecanismos de transporte controlados por la membrana plasmática. Las grandes partículas de alimentos deben ser sometidas a una digestión que las transforme en moléculas sencillas.
La digestión puede ser intracelular o extracelular.
Utilización de Materia y Energía
Las células utilizan la materia que incorporan en un enorme conjunto de reacciones químicas en las que se transforman sustancias y se intercambia energía. Todo esto es el metabolismo celular, y tiene dos objetivos principales:
- La síntesis de sustancias propias de la célula.
- La obtención de energía.
Excreción de Productos de Desecho
Las células deben eliminar de su interior tanto los nutrientes no utilizados como los desechos del metabolismo celular.
Tipos de Nutrición Celular
Según su nutrición, se pueden distinguir dos tipos de células:
- Células autótrofas.
- Células heterótrofas.
Células Autótrofas
Toman del medio nutrientes inorgánicos, como el agua. Con ellos son capaces de sintetizar sus propios nutrientes orgánicos, utilizando la energía de la luz. Ejemplo: algas.
Células Heterótrofas
Toman del medio nutrientes orgánicos procedentes de otros seres vivos. Ejemplo: animales.
Definición de Nutrientes: Cualquier sustancia que una célula necesita para realizar sus funciones de nutrición, pueden ser inorgánicos u orgánicos.
La Nutrición en Organismos Pluricelulares
Todas las células de un organismo pluricelular llevan a cabo los procesos de la nutrición. La pluricelularidad implica ciertas peculiaridades.
Pluricelularidad e Intercambio de Sustancias
Las células de un ser pluricelular no están en contacto directo con el medio externo, por lo que no tienen acceso directo a los nutrientes. Tampoco pueden verter sus productos de desecho directamente al exterior.
Estrategias para el Intercambio de Sustancias
- Algunos seres pluricelulares no están totalmente aislados del exterior y han permanecido ligados al agua, lo que permite una difusión entre el medio exterior y las células. Es el caso de los hongos, algas, etc.
- Los organismos más complejos, como las plantas y animales, cuentan con estructuras especializadas en las que la entrada y la salida están reguladas, y con diversos sistemas de transporte que conducen esas sustancias.
Incorporación de Nutrientes Celulares
Todas las células mantienen una composición química interna distinta de la del medio que las rodea. El mantenimiento del ambiente interno depende de la membrana celular, que además es la encargada de seleccionar las sustancias que deben entrar y salir de la célula.
El paso de sustancias se agrupa en dos tipos:
Transporte de Sustancias Pequeñas
- Transporte pasivo: Se realiza sin consumo de energía y se distinguen dos mecanismos de transporte pasivo: difusión simple y difusión facilitada.
- Transporte activo: Las moléculas se mueven contra el gradiente de concentración, es decir, desde la zona menos concentrada hacia la más concentrada, requiriendo energía.
Transporte de Grandes Partículas
Las células disponen de medios para introducir en su citoplasma, o expulsar al exterior, macromoléculas y grandes partículas.
Estos medios siempre implican la formación de vesículas debido a la deformación de la membrana plasmática: son la exocitosis y la endocitosis.
- Exocitosis: Es un proceso de expulsión de productos de desecho o de secreción. La exocitosis implica la fusión de vesículas membranosas generadas en el interior celular con la membrana plasmática.
- Endocitosis: Es el proceso de incorporación de grandes partículas al interior de la célula. Según el tipo de sustancias que la célula incorpora, se distinguen dos mecanismos de endocitosis: la fagocitosis y la pinocitosis.
La endocitosis se produce del siguiente modo:
- El material que se va a incorporar a la célula se fija a la membrana.
- Se forma una vesícula que encierra a la sustancia.
- La vesícula se desprende y queda en el citoplasma.
El Metabolismo Celular
Es el conjunto de reacciones químicas, catalizadas por enzimas, que se producen en el interior de las células. Su finalidad es el intercambio de materia y energía con el entorno, que son transformadas en el interior de la célula, con el objetivo de crear y mantener las estructuras celulares, y de proporcionar energía. Las reacciones químicas del metabolismo presentan unas características comunes:
- Están catalizadas por enzimas específicos.
- Están encadenadas en rutas metabólicas.
- Son procesos de oxidación-reducción (redox).
Tipos de Procesos Metabólicos
- El catabolismo o fase destructiva: Son reacciones exergónicas (liberan energía) en las que moléculas complejas son degradadas a otras moléculas más sencillas.
- El anabolismo o fase constructiva: Se fabrican moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más sencillas, requiriendo energía.
Intermediarios del Metabolismo
Transportan la energía, los electrones y el poder reductor desde donde se generan hasta donde se necesitan. Son:
- ATP (Adenosín Trifosfato).
- Coenzimas transportadoras de electrones (ej. NADH, FADH₂).
La Respiración Celular
Es la oxidación completa de una molécula de glucosa, que se transforma, en presencia de O₂, en varias moléculas inorgánicas. En el proceso se libera energía para sintetizar 38 moléculas de ATP.
Etapas de la Respiración Celular
- Glucólisis.
- Formación de acetil-coenzima A.
- Ciclo de Krebs o del ácido cítrico.
- Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.
El Anabolismo: Síntesis de Moléculas Complejas
Es el conjunto de procesos que conducen a la síntesis de moléculas complejas y requieren la incorporación de energía.
El resultado de estos procesos es la formación de proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, lípidos y otras moléculas complejas.
La mayoría de las rutas anabólicas son comunes en las células autótrofas y heterótrofas; sin embargo, las células autótrofas disponen de rutas anabólicas específicas, a través de las cuales son capaces de fabricar sus moléculas orgánicas sencillas.
En función de la fuente de energía utilizada, distinguimos dos tipos de células autótrofas:
- Células fotoautótrofas (fotosintéticas): Utilizan la energía de la luz para construir sus moléculas orgánicas.
- Células quimioautótrofas (quimiosintéticas): Utilizan la energía liberada en reacciones químicas exergónicas.
La Fotosíntesis
Es el proceso anabólico en el que las células fotoautótrofas sintetizan materia orgánica utilizando la energía de la luz. Este proceso es posible porque estas células contienen clorofila y otros pigmentos capaces de excitarse con la luz.
La fotosíntesis se compone de dos fases:
- Fase luminosa.
- Fase oscura.
La Quimiosíntesis
Con ella, las células quimioautótrofas sintetizan materia orgánica a partir de materia inorgánica, utilizando como fuente de energía la que se desprende de ciertas reacciones químicas exergónicas. Se divide en dos fases:
- Fase de obtención de energía y poder reductor.
- Fase de síntesis de materia orgánica.
Funciones de Relación en los Seres Vivos
Son todos aquellos procesos que capacitan a los organismos para reconocer los cambios que se producen en el medio.
Los cambios físicos o químicos que se producen en el medio externo o interno de la célula y que pueden ser captados por ellas, se denominan estímulos.
La Relación en las Células
Las células de cualquier organismo llevan a cabo las funciones de relación, siempre lo hacen en dos fases: una de recepción de los estímulos y otra de ejecución de las respuestas.
Recepción de Estímulos
Para detectar los cambios que puedan producirse, las células tienen proteínas receptoras incluidas en la membrana plasmática. Estas moléculas son capaces de reaccionar ante los estímulos de manera específica.
Ejecución de Respuestas
Las respuestas de las células ante los estímulos pueden ser estáticas y dinámicas:
- Estáticas: No implican movimiento celular.
- Dinámicas: Implican movimientos y, en conjunto, reciben el nombre de tactismos.
Tipos de Movimientos Celulares
Los movimientos son muy variados, y en todos está implicado el citoesqueleto. Hay tres tipos de movimiento:
- Movimiento vibrátil: Se produce por la acción de unas estructuras filiformes, que pueden ser cilios (cuando son cortos y numerosos) o flagelos (si son largos y hay uno o dos).
- Movimiento ameboide: La célula avanza por la emisión de seudópodos o ‘falsos pies’, que son prolongaciones del citoplasma.
- Movimiento contráctil: Es un acortamiento de la célula que se produce al deslizarse filamentos de actina y miosina presentes en su citoplasma.
Funciones de Reproducción: Perpetuación de la Especie
La reproducción es el medio que permite a los seres vivos generar individuos con sus mismas características y, así, perpetuar la especie.
La Reproducción en las Células
El conjunto de procesos que sufre una célula desde que se forma a partir de otra preexistente hasta que se reproduce se denomina ciclo celular. En general, un ciclo celular tiene dos periodos: la interfase, en la que la célula crece y se prepara para dividirse, y la división celular, en la que la célula lleva a cabo su reproducción y genera dos células hijas.
La Interfase
Este periodo abarca desde que la célula se forma hasta que va a iniciar su división. Durante la interfase se produce la duplicación del ADN. A su vez, presenta tres fases:
- Fase G1.
- Fase S.
- Fase G2.
La División Celular
Las células eucariotas se reproducen por un proceso llamado división celular que comprende la mitosis y la citocinesis.
- Mitosis o cariocinesis: Consiste en la división del núcleo.
- La citocinesis: Es la separación del citoplasma que origina dos células hijas.
Fases de la Mitosis
- Profase.
- Metafase.
- Anafase.
- Telofase.
La Reproducción en los Organismos
Existen dos tipos de reproducción: la asexual y la sexual.
- Reproducción asexual: Un único individuo produce descendientes idénticos a sí mismo.
- Reproducción sexual: Dos individuos aportan sus características a la descendencia.
En muchos seres vivos, estas dos formas de reproducción se alternan y se llama reproducción alternante.
La Reproducción Asexual
Una o varias células de un único individuo parental generan, por mitosis y posterior especialización de las células hijas, descendientes idénticos.
El proceso reproductor puede realizarse de dos formas: a partir de una única célula del parental, como es el caso de la esporulación; o a partir de varias células del cuerpo parental poco diferenciadas y que conservan características embrionarias.
Tipos de Reproducción Asexual
- Esporulación.
- Escisión o fragmentación.
- Gemación.
La Reproducción Sexual
Se produce por la unión de dos células especializadas: los gametos.
La reproducción sexual se desarrolla en tres fases:
- Formación de los gametos: Se forman en un proceso llamado gametogénesis. La formación de gametos masculinos, la espermatogénesis, produce espermatozoides en el caso de los animales, y anterozoides en las plantas y algas. La gametogénesis femenina, llamada oogénesis, genera los gametos femeninos, los óvulos en los animales y oosferas en las plantas y algas.
- Fusión de los gametos: Para que se produzca, es necesario que los gametos entren en contacto. El proceso se llama fecundación. Tras la fecundación, se produce la cariogamia, que es la fusión de los núcleos para formar una célula huevo, llamada cigoto.
- Desarrollo del cigoto: El cigoto comienza a dividirse y pasa a llamarse embrión.
La Meiosis
Las células reproductoras, los gametos y las esporas, se forman mediante un mecanismo de reproducción celular llamado meiosis. En la meiosis, las células hijas tienen la mitad de cromosomas que la célula de la que proceden.
La meiosis tiene un doble significado biológico:
- Reduce a la mitad el número de cromosomas de la célula hija.
- Aumenta la variabilidad genética, gracias a un proceso denominado sobrecruzamiento o crossing-over.
Los Ciclos Biológicos
En los organismos con reproducción sexual, en algún momento de su ciclo vital debe producirse la meiosis antes de la formación de los gametos.
Se pueden diferenciar distintos tipos de ciclos biológicos:
- Ciclo haplonte: Es el ciclo de aquellos organismos cuyo cuerpo está formado por células haploides, como en algunos hongos.
- Ciclo diplonte: Es el que tienen los animales, cuyo cuerpo está formado por células diploides.
- Ciclo diplohaplonte: Es propio de las plantas, en las que alternan una generación diploide.