En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo obtienen las células la energía que necesitan de los alimentos?
Los alimentos contienen energía, pero tus células no pueden usar directamente la energía de un sándwich. Primero la transfieren a una molécula pequeña llamada ATP, y usan el ATP para impulsar casi todo lo que hacen. En esta lección aprenderás qué es el ATP, cómo se usa y se vuelve a producir, y cuánta energía implican distintos alimentos y distintas actividades.
Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
Por qué las células necesitan energía
- Las células trabajan todo el tiempo
- Ejemplos: mover materiales, construir moléculas, contraer músculos
- La energía viene de los enlaces de las moléculas de los alimentos
- Las células no pueden usar esa energía directamente
| Trabajo de la célula | Ejemplo |
|---|---|
| Construir moléculas grandes | Fabricar proteínas a partir de aminoácidos |
| Mover materiales | Bombear iones a través de una membrana |
| Movimiento | Células musculares que se contraen |
| Enviar señales | Células nerviosas que llevan mensajes |
Incluso cuando duermes, tus células trabajan: construyen moléculas, mueven sustancias a través de las membranas y llevan mensajes. Todo este trabajo necesita energía. La energía viene de los enlaces químicos de las moléculas de los alimentos que comes, como la glucosa. Una célula no usa esa energía directamente. En cambio, transfiere una parte a una molécula que funciona como una batería recargable: el ATP.
La estructura del ATP
- ATP significa trifosfato de adenosina
- Adenosina = adenina (una base) + ribosa (un azúcar)
- Tiene tres grupos fosfato unidos
- El ATP es un nucleótido con grupos fosfato adicionales
El ATP (trifosfato de adenosina) es un nucleótido. Tiene la misma base y el mismo azúcar que el ARN, adenina y ribosa, pero tiene tres grupos fosfato en fila en lugar de uno. El enlace que sostiene el tercer grupo fosfato se puede romper por hidrólisis, y esto libera energía que la célula puede usar para trabajar.
El ciclo ATP y ADP
- Al romper el fosfato del extremo se obtiene ADP más P
- Esto libera la energía que impulsa el trabajo de la célula
- Al unir de nuevo un fosfato al ADP se vuelve a producir ATP
- La energía de los alimentos se usa para volver a producir ATP
Cuando una célula necesita energía, una enzima rompe por hidrólisis el grupo fosfato del extremo del ATP. Esto deja ADP (difosfato de adenosina) y un grupo fosfato libre, y libera energía que la célula usa. Para recargarse, la célula usa la energía de las moléculas de los alimentos para unir un grupo fosfato al ADP y producir ATP de nuevo. El proceso en el que las células descomponen las moléculas de los alimentos para producir ATP es la respiración celular. En ella se rompen los enlaces de la glucosa y del oxígeno, se forman enlaces nuevos en el dióxido de carbono y el agua, y la energía liberada se usa para producir ATP. Romper un enlace requiere energía, y formar un enlace libera energía. Una reacción libera energía en total cuando los enlaces nuevos que se forman liberan más energía de la que costó romper los enlaces anteriores, como en el cambio de glucosa y oxígeno a dióxido de carbono y agua. La misma idea se aplica al ATP: se necesita algo de energía para romper el enlace con el fosfato del extremo, pero los enlaces e interacciones nuevos de los productos liberan más, así que la hidrólisis del ATP libera energía en total. La Unidad 8 explica la respiración celular con más detalle.
La energía en los alimentos
- La energía de los alimentos se mide en kilocalorías (kcal)
- Las Calorías de una etiqueta de alimentos son kilocalorías
- Los carbohidratos y las proteínas dan cerca de 4 kcal por gramo
- Las grasas dan cerca de 9 kcal por gramo
La cantidad de energía de los alimentos se mide en kilocalorías (kcal). Una Caloría de una etiqueta de alimentos es lo mismo que una kilocaloría. La gráfica muestra la energía aproximada por gramo de las tres moléculas de los alimentos que las células pueden descomponer para obtener energía. La grasa guarda más del doble de energía por gramo que el carbohidrato o la proteína, porque tiene más enlaces carbono-hidrógeno que romper. Las células suelen usar primero los carbohidratos, y guardan la energía sobrante como glucógeno y grasa.
Las necesidades de energía cambian con la actividad
- Una célula más activa necesita más ATP
- Los músculos activos necesitan más
- Más ATP significa que se descomponen más moléculas de los alimentos
- Las necesidades de energía dependen del tamaño del cuerpo y de la actividad
La gráfica muestra datos de muestra de una persona con una masa de 60 kg. El uso de energía va de cerca de 60 kcal por hora al dormir a cerca de 580 kcal por hora al correr. Correr usa mucha más energía porque los músculos se contraen mucho más rápido y necesitan mucho más ATP, y las células deben descomponer más moléculas de los alimentos para proporcionarlo. Los valores son aproximados y dependen del tamaño de la persona y de qué tan fuerte trabaje.
Las células producen ATP constantemente
- Una célula tiene solo una pequeña reserva de ATP a la vez
- Se agota en segundos o minutos si no se repone
- Las células producen ATP todo el tiempo
- La respiración celular mantiene la reserva
| Números del modelo (no son mediciones) | Valor |
|---|---|
| Moléculas de ATP en la célula | 2,000,000 |
| ATP usado cada segundo | 40,000 |
| Tiempo que duraría la reserva | 50 segundos |
Una célula no guarda una gran cantidad de ATP. Tiene una reserva pequeña y la produce de nuevo sin parar, así que las mismas moléculas se usan una y otra vez. Los números del modelo de la tabla no son mediciones reales. Muestran una idea: si una célula dejara de producir ATP, su reserva se agotaría en menos de un minuto. Por eso las células necesitan un suministro constante de moléculas de los alimentos y, en la mayoría de los organismos, de oxígeno.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Energía para una carrera
Una persona de 60 kg corre durante 45 minutos. Usa 580 kcal por hora para correr, 9 kcal por gramo de grasa y 4 kcal por gramo de carbohidrato. (a) ¿Cuánta energía se usa? (b) ¿Qué masa de grasa contiene esa cantidad de energía? (c) ¿Qué masa de carbohidrato la contiene?
Mostrar la solución
- (a) Energía usada: 45 min = 0.75 h. 580 kcal por h × 0.75 h = 435 kcal.
- (b) Grasa: 435 kcal ÷ 9 kcal por g = 48 g.
- (c) Carbohidrato: 435 kcal ÷ 4 kcal por g = 109 g. Se necesita más del doble de carbohidrato que de grasa para obtener la misma energía.
- Respuesta: (a) 435 kcal. (b) Cerca de 48 g de grasa. (c) Cerca de 109 g de carbohidrato.
Ejemplo 2: Comparar actividades
Usa la gráfica del uso de energía de una persona de 60 kg. (a) ¿Cuántas veces más energía por hora usa correr que estar sentado? (b) ¿Cuánta energía se usa en 8 horas de dormir y 2 horas de caminar? (c) Explica por qué correr requiere más ATP que estar sentado.
Mostrar la solución
- (a) Razón: 580 ÷ 80 = 7.25, así que correr usa cerca de 7 veces más energía por hora.
- (b) Total: dormir: 8 h × 60 kcal por h = 480 kcal. Caminar: 2 h × 200 kcal por h = 400 kcal. Total: 480 + 400 = 880 kcal.
- (c) Explicación: correr hace que las células musculares se contraigan mucho más rápido, y eso gasta ATP más rápido. Las células deben descomponer las moléculas de los alimentos más rápido para volver a producir el ATP.
- Respuesta: (a) Cerca de 7 veces. (b) 880 kcal. (c) Los músculos gastan ATP más rápido, así que las células deben producirlo más rápido.
Ejemplo 3: ¿Cuánto dura el ATP?
Usa los números del modelo: una célula tiene 2,000,000 de moléculas de ATP y usa 40,000 por segundo. (a) ¿Cuánto duraría la reserva si no se produjera más ATP? (b) La célula se vuelve más activa y usa el ATP 4 veces más rápido. ¿Cuánto duraría la reserva ahora? (c) Explica por qué esto muestra que las células deben seguir produciendo ATP.
Mostrar la solución
- (a) Tiempo: 2,000,000 ÷ 40,000 por s = 50 s.
- (b) Uso más rápido: 4 × 40,000 = 160,000 por s. 2,000,000 ÷ 160,000 = 12.5 s.
- (c) Explicación: la reserva dura solo segundos, y dura aún menos cuando la célula está más activa, así que una célula solo puede seguir trabajando si produce ATP todo el tiempo.
- Respuesta: (a) 50 s. (b) 12.5 s. (c) La reserva es pequeña, así que el ATP se debe producir de nuevo continuamente.
Práctica
Describe la estructura y el ciclo del ATP, calcula la energía de los alimentos y de la actividad, lee una gráfica del uso de energía y usa un modelo para explicar por qué las células deben seguir produciendo ATP. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.
- Hoja de práctica: ATP y necesidades de energía (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas: ATP y necesidades de energía (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- El ATP es la molécula que las células usan para impulsar su trabajo
- La hidrólisis del ATP da ADP más un fosfato y libera energía
- La energía de los alimentos se usa para volver a producir ATP
- La grasa guarda cerca de 9 kcal por gramo; el carbohidrato y la proteína, cerca de 4
- Las células más activas necesitan más ATP
De vuelta a la pregunta esencial: las células obtienen la energía que necesitan al descomponer las moléculas de los alimentos y usar la energía liberada para producir ATP. El ATP lleva esa energía a donde se está haciendo el trabajo, y el ADP que queda se recarga. Mientras más activa es una célula, más rápido usa y vuelve a producir ATP. Con esto termina la unidad sobre las moléculas de la vida, y a continuación pasarás a la estructura de las células.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):
- HS-LS1-7: Usar un modelo para ilustrar que la respiración celular es un proceso químico en el que se rompen los enlaces de las moléculas de los alimentos y del oxígeno, y se forman enlaces en compuestos nuevos, con una transferencia neta de energía.
Ideas disciplinarias básicas: LS1.C Organización de la materia y el flujo de energía en los organismos