Fisiologia cel·lular

La fisiologia cel·lular és la disciplina que estudia els mecanismes biològics de la interacció de la cèl·lula amb el seu entorn. Perquè una cèl·lula sigui capaç de dur a terme el metabolisme necessita aliments, energia i biocatalitzadors.

L'obtenció i la utilització dels biocatalitzadorsModifica

Segons la manera com s'obtenen els aliments distingim dos tipus diferents d'éssers vius: els autòtrofs i els heteròtrofs.

  • Diem que un ésser és autòtrof quan és capaç de fabricar-se el seu propi aliment i no necessita obtenir-lo per mitjà d'altres éssers vius. A partir de principis immediats inorgànics és capaç de sintetitzar principis immediats orgànics. Aquests éssers són els vegetals. Les biomolècules inorgàniques utilitzades per a obtenir les biomolècules orgàniques són el CO2, l'H2O i les sals minerals.
  • Els éssers heteròtrofs són aquells éssers que han d'aconseguir l'aliment que és fabricat per les plantes, que, com és lògic, se'l fabriquen per a elles mateixes, per poder-nos alimentar. És a dir, éssers que no són pas capaços de fabricar-se aliment sinó que l'han d'obtenir per mitjà d'un altre animal que s'ha menjat una planta o mitjançant una planta directament.

Si agaféssim una planta (un vegetal), veuríem que en el sòl hi trobaríem l'H2O, amb les sals minerals dissoltes. Aquestes sals dissoltes en l'H2O són absorbides per la planta i pugen des de les arrels fins a les fulles, on s'usaran per a produir aliments. La planta, a partir d'H2O, sals minerals, llum solar i CO2 atmosfèric, obtindrà els aliments. La clorofil·la és un pigment de color verd el qual transforma l'energia lumínica del sol en energia química necessària per a dur a terme la fotosíntesi. Gràcies a l'energia química transformada per la clorofil·la i provinent del sol, els àtoms de les sals minerals, l'H2O i el CO2 podran ser reorganitzats per tal de formar nous principis immediats orgànics.

Una planta, si té llum, està fent sempre fotosíntesi. Per fer correctament aquesta reacció, la planta necessita CO2, H2O, sals minerals i energia química. Partint de tot això, la planta sintetitzarà C6H12O6, lípids i proteïnes. A partir de la glucosa sortiran tots els altres glúcids, ja que n'hi ha molts més. Això simplement són els aliments però també cal destacar que l'O2 hi és després en la reacció.

L'energia lumínica transformada per la clorofil·la en química, ara està emmagatzemada en els enllaços químics dels aliments; per això podem dir que els aliments són rics en energia.

Aleshores, el que han de fer els animals és agafar l'aliment directament de les plantes o bé per mitjà d'un altre animal que ja s'hagi menjat una planta. Els animals i les plantes precisem exactament els mateixos aliments i els utilitzem d'una manera pràcticament idèntica. Per això el metabolisme d'una cèl·lula animal i d'una cèl·lula vegetal són tan semblants. La diferència bàsica entre un animal i una planta és la manera d'obtenir l'aliment.

El cicle tròficModifica

  • El cicle tròfic és aquell cicle que ens explica com es va reciclant la matèria i l'energia en un ecosistema.
  • Un ecosistema és el conjunt fet per un medi en concret, els éssers vius que hi habiten i les relacions que s'estableixen entre uns éssers vius i uns altres.
  • El medi és simplement la matèria immediata que ens toca; hi ha el medi aeri i el medi aquàtic; és a dir, o vius en l'H2O o en l'aire.
  • L'ambient és una zona geogràfica concreta, amb unes característiques també concretes.

En un ecosistema la matèria es recicla; és a dir que no cal afegir-ne de nova, però no passa el mateix amb l'energia, ja que es perd per irradiació a l'espai i per tant cal afegir-ne de nova continuadament.

En les estrelles massives (7M-40M), quan l'estrella està en equilibri s'estan fusionant contínuament àtoms de H, i forma He, Li, Be, B, C, N, O, F, N,... fins al Ni, però en les estrelles massives quan comença a haver-hi una insuficiència d'àtoms es produeix un col·lapse i l'estrella crea una supernova. En aquesta supernova es formaran tots els àtoms de la taula periòdica fins a l'U92. Tots aquests àtoms de la supernova formen la pols còsmica, que es posa en òrbita al voltant de les estrelles i forma els planetes. Així és com va aparèixer la Terra.

La Terra està formada per roques, les quals estan formades per àtoms, que, al seu torn, van ser formats en les estrelles (i el H en el Big Bang). Les roques, a causa de l'erosió, formen el sòl, que al seu torn està format per sals minerals, formades per àtoms d'origen estel·lar.

Gràcies a les sals minerals, l'H2O, l'energia i el CO2, les plantes poden sintetitzar els principis immediats orgànics; ja que són els únics éssers capaços de fer-ho; per tant diem que són éssers productors. Els aliments estan formats per matèria i energia.

Diem que un ésser és fitòfag quan obté l'aliment produït per les plantes directament de les plantes; de manera que podem dir que és un consumidor primari, per tant aquest animal fitòfag quan es menja una planta el que s'està menjant és la matèria i l'energia que forma l'aliment. Recordem que l'energia s'emmagatzema en els enllaços químics.

Com ja hem dit, els éssers vius perdem energia contínuament irradiada a l'espai, de tal forma que l'hem d'obtenir, també, a mesura que l'anem perdent. Ara el fitòfag serà menjat per un ésser carnívor; és a dir per un consumidor secundari.

Ara bé, quan es mor un ésser viu, és quan apareixen els éssers descomponedors que s'encarreguen de transformar les biomolècules orgàniques a biomolècules inorgàniques altra vegada; és a dir que de l'aliment fan CO2, H2O i sals minerals.

En el cicle tròfic la matèria i els àtoms es van reciclant contínuament; en canvi l'energia continguda en els aliments es va perdent irradiada a l'espai.

L'obtenció d'energiaModifica

En un ésser viu hi ha milers de reaccions metabòliques. Si per exemple anéssim a una reacció qualsevol, com ara la número 125, suposem que aquesta reacció té com a productes A i B, que són biomolècules, per tant és una reacció de síntesi. Com ja sabem, totes les reaccions necessiten energia química, per tant, si apliquem aquesta energia en aquests productes (i com ja sabem, el biocatalitzador) obtindríem el producte AB.

L'energia química present en totes les reaccions metabòliques té un origen solar. Aquesta energia química està emmagatzemada en totes les biomolècules orgàniques que han sintetitzat els vegetals.

Aquesta energia un cop extreta de les biomolècules seguirà sent igualment química tot i que abans era lumínica, però va ser transformada per la clorofil·la a química. Aquesta energia química és imprescindible per a un funcionament bo i correcte del metabolisme cel·lular. En una cèl·lula, els orgànuls encarregats de la producció d'energia o, més ben dit, d'extreure l'energia dels enllaços de C6H12O6 i altres biomolècules, són els mitocondris.

La mitjana de mitocondris en una cèl·lula és entre 20 i 30; però no és res més que una mitjana, perquè el nombre de mitocondris d'una cèl·lula depèn de l'activitat d'aquesta cèl·lula; és a dir, com més activa sigui una cèl·lula, més mitocondris tindrà. Per exemple les neurones en tenen molts més que els adipòcits, ja que els adipòcits l'únic que han de fer és emmagatzemar greix, mentre que les neurones han de treballar molt. Les fibres musculars també en tenen forces encara que no tants com les neurones, ja que aquestes han de treballar contínuament. Últimament s'ha observat que a vegades, en casos molt aïllats, les neurones es poden reproduir en persones adultes, però no se sap què motiva aquesta acció. Actualment s'està investigant aquest fenomen.

Normalment els mitocondris tenen una forma cilíndrica, encara que n'hi ha de diferents formes. Per poder veure com és un mitocondri per dins, cal congelar-lo i tallar-lo amb un micròtom, com és lògic no es congela un sol mitocondri, sinó que normalment es congela un teixit, com ara l'hepàtic per exemple, ja que el fetge és una zona bastant activa.

Si agaféssim un mitocondri, podríem veure que té dues membranes; una d'interna i una altra d'externa. Entre les dues membranes hi ha H2O. A la membrana interna es fan una sèrie de replecs, els quals anomenem crestes. Entre cresta i cresta hi ha H2O, a més de proteïnes. Aquest espai és anomenat matriu. A les cèl·lules hi entren aliments (glúcids, lípids, proteïnes...) de manera contínua, les 24 hores del dia. Aquests aliments contenen energia en els seus enllaços químics. Per exemple, la molècula C6H12O6 a partir de la qual traiem normalment l'energia.

La molècula C6H12O6 i l'O2 entren dins d'un mitocondri, de tal forma que l'O2 reacciona amb la C6H12O6 i l'oxida, la trenca i després d'una sèrie de reaccions complexes, allibera CO2, H2O i energia química útil per al metabolisme. És per aquest motiu que mitjançant l'expiració expulsem CO2 del nostre organisme, provinent de les nostres cèl·lules, prop de 13 vegades per minut.

La respiració cel·lular aeròbiaModifica

Aquesta respiració és la que utilitza O2 per a l'obtenció d'energia. És la més comuna. C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + energia

No és una sola reacció, sinó que n'hi ha moltes d'intermèdies. La C6H12O6 és útil per a l'obtenció d'energia, ja que la seva energia és fàcil de treure. Per exemple els lípids en tenen molta més, però els lípids són d'una oxidació molt lenta.

La respiració anaeròbiaModifica

Aquesta respiració és aquella que prescindeix de l'O2, no és la més comuna en la vida, només la fan alguns bacteris i alguns fongs, també les fibres musculars entre altres.

Amb aquest tipus de respiració no s'obté gaire energia. S'utilitza la C6H12O6 i algun altre element, i s'allibera catabòlit i CO2. El llevat Saccharomiles sp. n'és un exemple.

En les fibres musculars també es produeix, i com a catabòlit hi ha l'àcid làctic, que es cristal·litza i forma els anomenats cruiximents.

La mort per inanicióModifica

La mort per inanició és la mort per no menjar. Si un ésser humà no menja durant 24 hores no passa res, ja que al fetge tenim suficient C6H12O6 emmagatzemada per produir oxidació durant aquest temps, però si estem més de 24 hores sense menjar, aleshores el nostre cos començarà a oxidar greixos, de tal manera que es podrà sobreviure durant uns quants dies o fins i tot una setmana. Tot i que depèn del greix acumulat en cada persona. Després de consumir el greix, es comencen a consumir les proteïnes, és a dir els músculs, que ja és arribar a un extrem al qual la persona en qüestió segurament no se'n sortiria.

L'obtenció de BiocatalitzadorsModifica

Un biocatalitzador és un producte químic que amb la seva presència permet que es duguin a terme les reaccions bioquímiques. Els enzims són biocatalitzadors específics; és a dir, cada reacció química té el seu enzim característic. Les hormones i les vitamines també són biocatalitzadors. Els enzims són proteïnes. El metabolisme cel·lular es produeix en el citoplasma. Si ens fixéssim en la reacció número 125; veuríem que l'energia ve dels mitocondris, i ja tenim els productes, per exemple A i B, que ara només necessiten l'enzim que fa possible la reacció número 125.

Fixem-nos ara en el nucli de la cèl·lula. Un cromosoma està format per dues cadenes d'ADN; és a dir una molècula d'ADN. Les cadenes d'ADN no es toquen, tot i que estan unides per ponts d'H, per això mateix no ho fan.

Cada espècie té un determinat nombre de cromosomes, els humans en tenim 46 en les cèl·lules 2n. Això significa que qualsevulla cèl·lula humana de qualsevulla part d'un humà tindrà 46 cromosomes, ara bé exceptuant les síndromes genètiques Els gats, per exemple, tenen 38 cromosomes, mentre que els cavalls en tenen 66, un ximpanzé en té 48, etc.

Els cromosomes estan dividits en fragments, és a dir: estan fragmentats. Cada fragment d'ADN en què està dividit el cromosoma és un gen; per tant: un gen és un fragment d'ADN, però que implica l'aparició d'un caràcter físic concret. Cada gen duu informació sobre un caràcter físic concret. En una cèl·lula humana, aproximadament, hi ha prop de 25.000 gens. La mitjana és d'uns 600 gens per cada cromosoma, però només és una mitjana. Si anem al gen número 125, veuríem que el gen ordena que se sintetitzi una molècula d'ARN, concretament la molècula d'ARN número 125. Ara l'ARN número 125 se n'anirà al citoplasma i es trobarà amb un ribosoma que el recorrerà per tal de llegir el codi genètic de l'ARN número 125 i anar sintetitzant una proteïna; la proteïna número 125. Aquestes proteïnes poden ser un enzim o no. Aquesta ho és, ja que és el més comú, concretament és l'enzim número 125. Ara aquest enzim anirà a la reacció número 125 per tal que es pugui donar. Ara obtindrem el producte número 125. Aquest producte número 125 donarà l'aparició del caràcter numero 125.

Relació i evolucióModifica

L'evolució és el fenomen pel qual els éssers vius experimenten petits canvis genètics (mutacions) acumulatius, que, al cap d'un període molt llarg, provoquen l'aparició de canvis suficientment importants com per donar origen a una nova espècie. Anem a un gen i agafem el gen A, que dóna informació sobre el caràcter A i en provoca la seva aparició.

Si combinem, és a dir, si mutem el gen, ja no sortirà el caràcter A, perquè la informació escrita en el gen ha canviat, de manera que crearà un nou enzim que provocarà l'aparició d'un nou caràcter físic en lloc de l'antic. L'evolució es basa en els canvis genètics.

La selecció naturalModifica

El medi tria els éssers vius que tenen una càrrega genètica suficientment bona com per a sobreviure-hi. Per exemple: si una zona té 20 °C de mitjana, i hi vivien uns éssers. En concret, en aquella espècie, n'hi ha de molt peluts, que tenen pèl però no gaire, i n'hi ha que no en tenen gens. A a 20 °C tots sobreviuen perfectament, però imaginem que ve una glaciació i que la temperatura mitjana baixa dels 20 °C als -6 °C, aleshores, els que no tenien gens de pèl moririen, però mai els sortiria més pèl, mentre que els que en tenien molt estarien molt més ben adaptats al medi, el qual ha canviat i per tant podrien sobreviure perfectament. L'espècie ha tingut un canvi genètic. Els éssers vius no ens adaptem a l'ambient.

Un altre exemple: Biston betularia, papallona de bedoll:

El bedoll té el tronc de color gris amb piquets negres, això és molt útil per a la Biston betularia, ja que la majoria són de color gris clar amb piquets negres i s'hi poden camuflar molt bé. La majoria de Biston betularia són grises amb piquets negres, però n'hi ha de negres, poques. N'hi havia poques perquè en el bedoll es camuflaven molt malament i eren una presa més fàcil per als depredadors, ara bé, a Anglaterra va venir la revolució industrial i amb tota la indústria del carbó els bedolls varen quedar negres, de manera que les Biston betularia grises amb piquets negres es varen convertir en la presa fàcil i les Biston betularia negres s'hi camuflaven molt bé, per tant les que en aquella zona on els arbres havien quedat negres per la contaminació del carbó les Biston betularia negres eren les més abundants. D'aquesta història en podem treure una conclusió:

No podem parlar mai de gens bons o gens dolents, sinó que hem de parlar de si aquests estan ben adaptats al medi o no.

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Fisiologia cel·lular