Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme

I 0 flashcards i 8 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOQUÍMICA Grau en Biologia Universitat de Vic - Universitat Central de Catalunya AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Bioquímica: biomolècules, bioenergètica, glucòlisi, cicle de Krebs, fosforilació oxidativa i metabolisme lipídic amb balanços i fórmules.

APREN.AI Índex 1 Bases moleculars de la matèria viva i interaccions no covalents Lògica química i elements essencials de la vida Composició cel·lular i jerarquia molecular El medi aquós i les interaccions intermoleculars febles 2 Estructura i funció dels glúcids: de monosacàrids a glicoproteïnes Classificació general i funcions dels glúcids Monosacàrids: estructura, estereoquímica i ciclació L'enllaç O-glicosídic i els principals disacàrids Polisacàrids: conformació espacial segons l'enllaç alfa o beta Glicoproteïnes i trànsit de glicosilació cel·lular 3 Bioenergètica i lògica del metabolisme cel·lular 1. Organització del metabolisme i acoblament termodinàmic 2.

L'ATP com a moneda energètica cel·lular 3. Estat d'oxidació del carboni i rendiment energètic 4. Transportadors actius d'electrons i de grups acil 5.

Els 6 tipus fonamentals de reaccions bioquímiques i regulació 4 Glucòlisi: etapes de preparació, generació d'ATP i destins del piruvat Visió general i context cel·lular de la glucòlisi Etapa 1: Fase d'inversió energètica i fractura en trioses Etapa 2: Fase de rendiment i conservació energètica Balanç estequiomètric global de la via Destins metabòlics del piruvat i regeneració de NAD+ 5 Gluconeogènesi i metabolisme del glicogen La lògica termodinàmica: per què la gluconeogènesi no inverteix la glucòlisi Els tres rodejos enzimàtics Cost energètic estequiomètric de la gluconeogènesi Metabolisme del glicogen Regulació recíproca entre vies contraposades 6 El cicle de Krebs i la descarboxilació oxidativa del piruvat La descarboxilació oxidativa del piruvat i el complex PDH Entrada al cicle i reaccions d'oxidació inicials Fosforilació a nivell de substrat i regeneració de l'oxaloacetat Balanç net i estequiometria del cicle 7 Fosforilació oxidativa: cadena respiratòria i síntesi quimiosmòtica d'ATP Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 1 Organització mitocondrial i bioenergètica del transport electrònic Complexos de la cadena respiratòria i bombeig de protons Gradient electroquímic i mecanisme d'acoblament de l'ATP sintasa Balanç energètic complet de l'oxidació de la glucosa 8 Lípids biològics, estructura de membranes i metabolisme lipídic Àcids grassos: estructura, propietats i funcions Lípids de membrana i autoacoblament en bicapa Mobilització dels triacilglicerols i llançadora de carnitina La beta-oxidació dels àcids grassos a la matriu mitocondrial Biosíntesi d'àcids grassos al citoplasma Balanç comparatiu entre degradació i síntesi 9 Formulari i resum per repassar Bioenergètica i termodinàmica cel·lular Rutes centrals del metabolisme glucídic Respiració cel·lular i fosforilació oxidativa Metabolisme lipídic Constants, valors clau i errors típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 2 1 Bases moleculars de la matèria viva i interaccions no covalents EN ACABAR SABRÀS Identificar els quatre bioelements primordials i justificar la seva importància estructural. Descriure la jerarquia d'organització molecular des dels monòmers fins a la cèl·lula. Distingir els quatre tipus principals d'interaccions febles no covalents segons la seva naturalesa física.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Com pot mantenir-se unida l'estructura tridimensional d'una proteïna gegant si només utilitza enllaços molt més febles que els covalents? La bioquímica estudia els fonaments químics de la vida, analitzant tant l'estructura de les biomolècules com les reaccions i interaccions que mantenen l'estat viu cel·lular. Malgrat l'enorme biodiversitat existent, la maquinària molecular bàsica i les rutes centrals del metabolisme estan extraordinàriament conservades entre organismes tan dispars com bacteris, vegetals i éssers humans.

ESQUEMA Bases moleculars de la matèria viva Bioquímica cel·lular Composició i reaccions químiques de la vida Bioelements primaris C, H, O, N de baixa massa Aigua com a matriu Dissolvent polar (>70% cel·lular) Jerarquia molecular De monòmers a estructures cel·lulars Interaccions no covalents Forces febles que mantenen estructures Iòniques i ponts d'H Càrregues i dipols permanents Hidrofòbiques i Van der Waals Exclusió del solvent i dipols induïts Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 3 Lògica química i elements essencials de la vida Les cèl·lules contenen estructures internes delimitades, milers de metabòlits de mida petita i macromolècules que duen a terme reconeixements altament específics.

Aquesta complexitat descansa sobre un repertori molt reduït d'elements químics. Els quatre bioelements primordials que constitueixen la major part de la matèria viva són l'hidrogen (H), l'oxigen (O), el carboni (C) i el nitrogen (N). Aquesta selecció natural respon a propietats químiques molt avantatjoses: Massa atòmica petita: afavoreix la formació d'enllaços covalents estables entre ells. Versatilitat d'enllaç: el carboni pot formar enllaços simples, dobles o triples i construir esquelets carbonats tridimensionals estables.

Diferències d'electronegativitat: l'oxigen i el nitrogen generen dipols elèctrics permanents quan s'uneixen al carboni o a l'hidrogen, permetent la solubilitat en medi aquós i facilitant la reactivitat dels grups funcionals. Esquema dels elements químics de la taula periòdica essencials en biologia. Aquests pocs elements s'organitzen en una gran varietat de grups funcionals orgànics (com alcohols, aldehids, cetones, carboxils, amines o tiols) que determinen el comportament químic de les molècules biològiques. COMPROVA-HO 2 Per quina raó el carboni, i no un àtom més pesant del mateix grup, constitueix la base dels esquelets biològics?

Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 4 Composició cel·lular i jerarquia molecular La substància amb diferència més abundant als sistemes vius és l'aigua, que representa més del 70% de la massa d'una cèl·lula típica. El percentatge restant està format per macromolècules (proteïnes, àcids nucleics i polisacàrids), lípids i petites molècules orgàniques o metabòlits. L'arquitectura cel·lular s'organitza segons una jerarquia estructural de complexitat creixent: Diagrama de la jerarquia molecular des de monòmers fins a estructures cel·lulars.

COMPROVA-HO 3 Quina mena d'enllaç uneix els monòmers entre si per formar macromolècules, i quines forces mantenen units els complexos supramoleculars? El medi aquós i les interaccions intermoleculars febles L'origen de la vida va tenir lloc a l'aigua i totes les reaccions del metabolisme transcorren en un medi aquós. La molècula d' és un dipol elèctric permanent degut a la diferència d'electronegativitat entre l'oxigen i els hidrògens i a la seva geometria angular. Aquesta naturalesa polar condiciona Precursors monomèrics: molècules senzilles com monosacàrids, àcids grassos, aminoàcids i nucleòtids.

1 Macromolècules: polímers units mitjançant enllaços covalents forts a partir dels monòmers (polisacàrids, lípids complexos, proteïnes i àcids nucleics). 2 Complexos supramoleculars: agrupacions estables de macromolècules que interactuen mitjançant forces no covalents, com la cromatina, els ribosomes o les membranes cel·lulars. 3 Orgànuls i cèl·lula: estructures cel·lulars delimitades que integren els complexos macromoleculars per desenvolupar funcions vitals. 4 H O 2 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 5 directament la conformació, l'estabilitat i la funció de totes les biomolècules.

L'estructura tridimensional de les proteïnes o dels àcids nucleics depèn críticament de les interaccions febles no covalents. Individualment posseeixen una energia d'enllaç baixa, però quan actuen de manera coordinada i nombrosa, proporcionen una gran estabilitat global sense restar dinamisme ni flexibilitat.

Tipus d'interacció Requeriment estructural Força relativa Exemple biològic Interaccions iòniques Atracció o repulsió electrostàtica entre càrregues netes oposades o iguals (ions o grups carregats) Alta Ponts salins entre grups carboxil i amino desprotonats/protonats Ponts d'hidrogen Àtom d'hidrogen unit a un àtom molt electronegatiu ( ) i un parell d'electrons solitaris d'un altre àtom electronegatiu Mitjana Emparellament de bases nitrogenades en la doble hèlix de DNA Forces hidrofòbiques Exclusió de regions apolars per part de l'aigua líquida, reduint la pèrdua d'entropia del dissolvent Mitjana / Variable Formació del nucli intern de proteïnes globulars i agrupació de cadenes acil de lípids Forces de Van der Waals Atracció electrostàtica transitòria entre dipols induïts mútuament en àtoms neutres molt propers Molt feble Empaquetament compacte d'àtoms contigus a l'interior d'una macromolècula plegada Els ponts d'hidrogen poden ser intramoleculars o intermoleculars.

En són un cas paradigmàtic els enllaços que uneixen les cadenes de DNA mitjançant l'aparellament de bases nitrogenades complementàries, com la timina i l'adenina. N, O, F Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 6 Esquema de ponts d'hidrogen entre les bases timina i adenina. Pel que fa a les forces de Van der Waals, operen a distàncies molt concretes. El radi de Van der Waals marca la distància límit d'aproximació d'un àtom a un altre no enllaçat; si s'apropen més enllà d'aquest mínim energètic (la distància de contacte), s'activen forces de repulsió electrònica que desestabilitzen el sistema.

ERROR FREQÜENT Creure que les interaccions febles són poc rellevants pel fet de tenir menys energia que un enllaç covalent. En una cèl·lula, l'estabilitat i l'especificitat funcional de macromolècules gegants (com ribosomes o dobles hèlixs de DNA) descansen precisament en la suma cooperativa de milers d'aquests contactes no covalents. COMPROVA-HO 4 Què passa quan dos àtoms no units s'apropen més enllà de la seva distància de contacte de Van der Waals? Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 7 IDEES CLAU La bioquímica estudia les reaccions, estructures i interaccions moleculars sota principis químics unificats i universals.

La matèria viva està formada majoritàriament per carboni, hidrogen, oxigen i nitrogen (C, H, O, N) gràcies a la seva baixa massa i versatilitat d'enllaç. L'aigua és el component més abundant (>70%) i constitueix el medi solvent necessari per a totes les transformacions metabòliques. La jerarquia molecular cel·lular progressa des dels monòmers covalents fins a les macromolècules i els complexos supramoleculars. L'estabilitat de les conformacions biològiques actives depèn de la suma cooperativa d'interaccions no covalents: iòniques, ponts d'hidrogen, hidrofòbiques i Van der Waals. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Per quina raó el carboni és l'element idoni per formar l'esquelet de les biomolècules?

6. Com influeixen les forces hidrofòbiques en les molècules lipídiques en presència d'aigua? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 7. Quin percentatge aproximat del pes d'una cèl·lula típica correspon a l'aigua? 8. Quins són els quatre bioelements primaris més abundants a la matèria viva? 9. Com es mantenen units els components dels complexos supramoleculars com la cromatina o les membranes? 10. Què determina el radi de Van der Waals entre dos àtoms no enllaçats?

Menys del 10% a) Al voltant del 50% b) Més del 70% c) Prop del 25% d) C, H, O, N a) C, Si, O, P b) H, He, C, N c) Na, K, Cl, Ca d) Per enllaços covalents creuats continus a) Únicament per enllaços fosfodièster b) Només mitjançant ponts disulfur c) Mitjançant interaccions febles no covalents d) La distància mínima d'aproximació estable a) L'angle d'enllaç entre grups funcionals b) La distància màxima de dissociació iònica c) La longitud d'un enllaç covalent simple d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 8 2 Estructura i funció dels glúcids: de monosacàrids a glicoproteïnes EN ACABAR SABRÀS Distingir aldoses de cetoses i reconèixer el mecanisme químic de ciclació en hemiacetals.

Comparar les propietats estructurals dels enllaços alfa i beta en polisacàrids. Diferenciar les vies de N-glicosilació i O-glicosilació en proteïnes eucariotes. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 11 Per què els éssers humans podem digerir el midó d'una patata però no la cel·lulosa de la fusta si ambdós estan fets únicament de glucosa? Classificació general i funcions dels glúcids Els glúcids o hidrats de carboni constitueixen aproximadament un 2-3% de la massa corporal en els organismes, en comparació amb els lípids (18-25%) o les proteïnes (12-18%).

Malgrat aquest percentatge modest en pes, desenvolupen tasques biològiques imprescindibles: Font d'energia immediata: combustible metabòlic fonamental per a la respiració cel·lular (per a la seva degradació, vegeu «Glucòlisi: etapes de preparació, generació d'ATP i destins del piruvat»). Components estructurals i de protecció: formen part de la matriu extracel·lular i de la paret vegetal. En la superfície de les cèl·lules eucariotes trobem el glicocàlix, un revestiment dens format per glúcids units a proteïnes i lípids, crucial per a la protecció, la supervivència cel·lular i la comunicació intercel·lular.

Modificacions postraduccionals i senyalització: la unió específica de cadenes glucídiques a proteïnes genera senyals de reconeixement molecular en processos de transport, adhesió i diferenciació cel·lular. L'estudi integral de l'estructura, la síntesi i les interaccions moleculars d'aquestes biomolècules s'anomena glicobiologia. El conjunt complet de carbohidrats expressats per una cèl·lula o teixit s'anomena glicoma. A diferència del genoma, el glicoma és dinàmic i varia ràpidament segons les condicions metabòliques i ambientals. Monosacàrids: estructura, estereoquímica i ciclació Els monosacàrids són els monòmers a partir dels quals es construeixen els carbohidrats més complexos.

Es defineixen químicament com a polihidroxialdehids o polihidroxicetones, amb cadenes que solen contenir d'entre 3 i 9 àtoms de carboni. Segons la posició del grup carbonil, es classifiquen en: Aldoses: contenen un grup aldehid ( ) al carboni terminal C-1. La triosa més simple és el gliceraldehid. Cetoses: contenen un grup carbonil cetònic (C=O), habitualment situat al C-2. La triosa cetònica fonamental és la dihidroxicetona. CHO Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 9 Estructures moleculars lineals de pentoses i la seva integració en nucleòtids.

Segons la llargada de la cadena carbonada, es denominen trioses (3 C), tetroses (4 C), pentoses (5 C, com la ribosa i la desoxiribosa que formen nucleòtids), hexoses (6 C, com la glucosa, galactosa, mannosa i fructosa) o heptoses (7 C). En dissolució aquosa, la forma oberta lineal dels monosacàrids de cinc o més carbonis és minoritària. Aquestes molècules experimenten un procés de ciclació intramolecular: l'atac nucleofílic d'un grup hidroxil ( ) distal sobre el carbonil genera un hemiacetal (en aldoses) o un hemicetal (en cetoses). En tancar-se l'anell, el carboni carbonílic original es converteix en un nou centre asimètric anomenat carboni anomèric.

Això origina dos nous isòmers geomètrics: Anòmer : el grup anomèric queda en la mateixa cara que el grup de referència (habitualment orientat cap amunt en projecció de Haworth). Anòmer : el grup anomèric se situa en posició oposada (habitualment orientat cap avall). Projeccions de Haworth de furanoses i piranoses anomèriques ciclades comunes. COMPROVA-HO 12 Què caracteritza el carboni anomèric format durant la ciclació d'una aldosa? OH β OH CH OH 2 α OH Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 10 L'enllaç O-glicosídic i els principals disacàrids La polimerització dels glúcids té lloc mitjançant la formació d'un enllaç O-glicosídic.

Aquest enllaç covalent es produeix per la condensació del grup hidroxil del carboni anomèric d'un monosacàrid amb un grup hidroxil d'un altre glúcid, alliberant una molècula d'aigua. Disacàrid Monòmers constituents Tipus d'enllaç Funció i propietats Maltosa Glucosa + Glucosa Producte intermedi de la digestió del midó i glicogen. Conserva poder reductor. Lactosa Galactosa + Glucosa Sucre predominant a la llet dels mamífers. Conserva poder reductor. Sacarosa -Glucosa + - Fructosa (dicarbonílic) Forma principal de transport de sucres en plantes; sucre de taula. No té poder reductor. ERROR FREQÜENT Considerar la sacarosa com a sucre reductor.

A diferència de la maltosa o la lactosa (on només un carboni anomèric participa en l'enllaç i l'altre queda lliure), l'enllaç dicarbonílic de la sacarosa immobilitza els carbonis anomèrics de la glucosa (C-1) i de la fructosa (C-2), impedint la reobertura de l'anell i la reactivitat reductora. Polisacàrids: conformació espacial segons l'enllaç alfa o beta La disposició espacial dels polímers de glucosa depèn críticament de la configuració de l'anòmer que forma l'enllaç glicosídic: L'enllaç beta-1,4 imposa cadenes lineals i esteses.

A la cel·lulosa, principal component estructural de la paret cel·lular vegetal, aquestes cadenes rectes s'empaqueten de forma paral·lela, establint una xarxa densa de ponts d'hidrogen intra i intercatenaris (per a la seva natura química, vegeu «Bases moleculars de la matèria viva i interaccions no covalents»). El resultat són microfibril·les d'una resistència mecànica extraordinària a la tracció i una insolubilitat completa en aigua. Enllaç beta-1,4-glicosídic entre unitats de glucosa a la cadena de cel·lulosa.

α(1 4) β(1 4) α β α(1 2)β Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 11 Per contra, l'enllaç alfa-1,4 produeix una curvatura intrínseca en la cadena, induint conformacions helicoïdals compactes molt adients per a l'emmagatzematge dens de combustible: Midó: reserva de glucosa en plantes, integrat per amilosa (polímer lineal amb enllaços ) i amilopectina (polímer ramificat que afegeix punts d'unió ). Glicogen: gran magatzem de glucosa en el teixit hepàtic i muscular animal. Posseeix una estructura ramificada homòloga a la de l'amilopectina, però amb una densitat molt superior de ramificacions mitjançant enllaços , facilitant la seva ràpida hidròlisi enzimàtica.

ESQUEMA Classificació dels polisacàrids segons funció COMPROVA-HO 13 Per què la cel·lulosa forma fibres rígides insolubles mentre que el glicogen forma grànuls solubles d'emmagatzematge ràpid? Glicoproteïnes i trànsit de glicosilació cel·lular Una fracció considerable de les proteïnes cel·lulars pateix modificacions per addició covalent d'oligosacàrids. Aquestes glicoproteïnes són especialment abundants entre les proteïnes transmembrana i les molècules destinades a la secreció extracel·lular.

Segons l'enllaç que uneix el glúcid al polipèptid, es distingeixen dues rutes de glicosilació: α(1 4) α(1 6) α(1 6) Reserva energètica Enllaços alfa amb conformació helicoïdal Midó Amilosa i amilopectina vegetal Glicogen Molècula ramificada animal Estructurals Enllaços beta lineals resistents Cel·lulosa Fibril·les de la paret vegetal N-glicosilació: l'oligosacàrid s'uneix a l'àtom de nitrogen amídic de la cadena lateral d'un residu d'asparagina (Asn). Aquest procés s'inicia de manera cotraduccional a la llum del reticle endoplasmàtic (RE) mitjançant la transferència d'un nucli glucídic comú.

1 O-glicosilació: la unió s'estableix sobre l'àtom d'oxigen del grup hidroxil de residus de serina (Ser) o treonina (Thr). Aquest procés té lloc principalment a l'aparell de Golgi. 2 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 12 PROCÉS Trànsit i maduració de glicoproteïnes 1 Reticle Endoplasmàtic Inici de la N-glicosilació sobre asparagina 2 Aparell de Golgi O-glicosilació sobre Ser/Thr i addició de nous sucres 3 Membrana o secreció Destí al glicocàlix o exterior cel·lular Al llarg del trànsit vesicular des del RE cap a l'aparell de Golgi, un seguit d'enzims glicosidases i glicosiltransferases eliminen o incorporen sucres addicionals (com mannosa, galactosa, fucosa o àcid siàlic).

Aquesta maduració genera una gran varietat estructural de ramificacions necessària per al reconeixement immunitari, l'adhesió intercel·lular i el destí subcel·lular definitiu de les proteïnes. IDEES CLAU Els glúcids actuen com a combustibles metabòlics ràpids, elements estructurals i components clau del glicocàlix en la comunicació cel·lular. La ciclació dels monosacàrids genera un carboni anomèric que defineix les formes estereoisomèriques i . La sacarosa és un sucre no reductor degut al seu enllaç dicarbonílic entre els carbonis anomèrics de la glucosa i la fructosa.

L'enllaç genera fibres rectes i resistents a la tracció (cel·lulosa), mentre que l'enllaç genera hèlixs d'emmagatzematge compacte (midó i glicogen). La N-glicosilació s'inicia al reticle endoplasmàtic sobre asparagina, mentre que la O-glicosilació té lloc sobre serina o treonina principalment al Golgi. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 14. Quina diferència estructural bàsica existeix entre una aldosa i una cetosa? 15. Quins residus aminoacídics actuen com a acceptors en la N-glicosilació i en la O- glicosilació? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 16. Quin disacàrid està unit per un enllaç dicarbonílic i manca de poder reductor?

α β β(1 4) α(1 4) Sacarosa a) Cel·lobiosa b) Lactosa c) Maltosa d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 13 17. Quina disposició estructural afavoreix l'enllaç beta-1,4 de la cel·lulosa? 18. En quin compartiment cel·lular s'inicia la N-glicosilació de les proteïnes? 19. A quin aminoàcid s'uneixen els glúcids en la O-glicosilació? 3 Bioenergètica i lògica del metabolisme cel·lular EN ACABAR SABRÀS Calcular el canvi d'energia lliure global d'una ruta mitjançant l'acoblament de reaccions. Explicar les causes estructurals de l'alt potencial de transferència de fosforil de l'ATP. Distingir el paper fisiològic del NADH en el catabolisme respecte al NADPH en l'anabolisme.

Identificar els sis tipus bàsics de reaccions bioquímiques recurrents en el metabolisme. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 20 Com aconsegueix la cèl·lula dur a terme reaccions de biosíntesi que per si soles serien termodinàmicament impossibles? El conjunt de transformacions químiques que tenen lloc a l'interior cel·lular constitueix el metabolisme, la xarxa responsable de mantenir l'estat viu, créixer i respondre als estímuls de l'entorn.

Hèlixs obertes compactes a) Anells globulars de reserva ràpida b) Estructures esfèriques molt ramificades c) Cadenes rectes resistents a tracció d) Vesícules de secreció perifèriques a) Aparell de Golgi trans b) Llum del reticle endoplasmàtic c) Citosol lliure ribosòmic d) Asparagina a) Serina o treonina b) Glutamina c) Lisina o arginina d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 14 ESQUEMA Arquitectura del metabolisme cel·lular 1.

Organització del metabolisme i acoblament termodinàmic El metabolisme s'organitza en dues branques interconnectades per un flux continu de matèria i energia: Catabolisme: degradació oxidativa de molècules complexes fins a productes residuals senzills (com o ) per capturar energia química. Anabolisme: síntesi de macromolècules i estructures cel·lulars a partir de precursors senzills, un procés reductor que consumeix energia. Per sostenir processos desfavorables com el transport actiu, el treball mecànic o les biosíntesis, els éssers vius utilitzen l'acoblament energètic.

Una reacció termodinàmicament desfavorable ( ) es pot dur a terme si s'acobla químicament a una reacció altament espontània ( ), de manera que el canvi global d'energia lliure del conjunt sigui negatiu. EXEMPLE Considerem una transformació desfavorable acoblada a una exergònica: El procés global sumat resulta termodinàmicament afavorit: COMPROVA-HO 21 Com pot una cèl·lula impulsar una reacció amb una constant d'equilibri desfavorable molt inferior a 1?

Catabolisme Degradació oxidativa de molècules Generació d'energia Producció d'ATP i NADH Oxidació del carboni Producció final de CO2 Anabolisme Síntesi reductora de macromolècules Consum d'energia Ús d'ATP com a impuls Poder reductor Ús específic de NADPH CO 2 H O 2 ΔG > 0 ΔG < 0 A B + C (ΔG = +21 kJ/mol) B D (ΔG = 34 kJ/mol) A C + D (ΔG = 13 kJ/mol) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 15 2. L'ATP com a moneda energètica cel·lular L'adenosina trifosfat (ATP) és el principal intermediari d'intercanvi d'energia lliure en els sistemes biològics.

L'energia d'hidròlisi estàndard d'ATP és al voltant de -30,5 kJ/mol (-7,3 kcal/mol) en produir ADP i fosfat inorgànic ( ): Quan la hidròlisi allibera pirofosfat ( ) generant AMP, la variació és encara més negativa: Estructura molecular de l'adenosina trifosfat amb els seus tres fosfats. La gran quantitat d'energia lliure alliberada per la hidròlisi de l'enllaç fosfoanhídric es deu a tres factors químics concrets: L'ATP ocupa una posició intermèdia d'energia de transferència de grup fosforil. Això li atorga un paper regulador ideal: pot ser generat per molècules amb un potencial encara superior i, alhora, transferir el seu fosfat a compostos amb un potencial menor.

ERROR FREQÜENT Creure que l'enllaç fosfoanhídric de l'ATP és «fort» i acumula energia física en si mateix. L'alta alliberació d'energia lliure no prové de trencar un enllaç particularment fort, sinó de la gran estabilitat dels productes resultants (menor repulsió, millor ressonància i hidratació) respecte al reactiu. P i ATP + H O 2 ADP + P (ΔG = i 30,5 kJ/mol) PP i ATP + H O 2 AMP + PP (ΔG = i 45,6 kJ/mol) Repulsió electroestàtica: a pH fisiològic, la cadena trifosfat conté quatre càrregues negatives que es repel·leixen mútuament; la hidròlisi en redueix la tensió interna.

1 Estabilització per ressonància: els productes de la reacció (sobretot el lliure) presenten un nombre superior de formes ressonants equivalents que la molècula intacta d'ATP. 2 P i Estabilització per hidratació: l'aigua s'uneix més fàcilment i amb més afinitat a l'ADP i al que no pas a la cadena d'ATP concentrada. 3 P i Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 16 3. Estat d'oxidació del carboni i rendiment energètic L'energia química prové de l'oxidació dels combustibles cel·lulars, on el carboni s'oxida finalment a cedint electrons a l'oxigen en els organismes aeròbics.

Com més reduït es troba un àtom de carboni inicialment, major és la quantitat d'energia lliure que s'allibera durant la seva oxidació completa: Estat del carboni Exemple molecular d'oxidació (kJ/mol) Alcà (més reduït) Metà ( ) -820 Alcohol primari Metanol ( ) -703 Aldehid Formaldehid (HCHO) -523 Àcid carboxílic Àcid fòrmic (HCOOH) -285 Diòxid de carboni (més oxidat) 0 Per aquesta raó, els àcids grassos (vegeu «Lípids biològics, estructura de membranes i metabolisme lipídic») contenen cadenes hidrocarbonades formades per grups altament reduïts i emmagatzemen substancialment més energia per gram que els glúcids com la glucosa, que ja presenten oxígens associats a cada carboni.

Aquesta energia d'oxidació no s'allibera directament com a calor, sinó que s'utilitza cel·lularment per: Sintetitzar intermediaris amb un elevat potencial de transferència de fosfat (com l'1,3- bisfosfoglicerat a la glucòlisi; vegeu «Glucòlisi: etapes de preparació, generació d'ATP i destins del piruvat»). Generar gradients electroquímics de protons mitjançant la membrana mitocondrial, que representen més del 90 % de l'ATP sintetitzat en la fosforilació oxidativa (vegeu «Fosforilació oxidativa: cadena respiratòria i síntesi quimiosmòtica d'ATP»). COMPROVA-HO 22 Per quina raó estructural els triacilglicerols proporcionen un rendiment energètic per gram superior al del glicogen? 4.

Transportadors actius d'electrons i de grups acil El flux metabòlic canalitza la matèria a través d'un nombre reduït de transportadors activats universals: CO 2 ΔG CH 4 CH OH 3 CO 2 CH 2 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 17 Estructures químiques i llocs reactius dels transportadors electrònics NAD+ i FAD. NAD+ / NADH: el dinucleòtid de nicotinamida i adenina actua com a agent oxidant principal al catabolisme. En oxidar un substrat, el seu anell de nicotinamida capta un ió hidrur ( , equivalent a dos electrons i un protó) mentre un altre protó queda lliure al medi ( ). El NADH s'utilitza majoritàriament com a donador d'electrons per generar ATP en el catabolisme.

FAD / FADH2: el dinucleòtid de flavina i adenina conté un anell d'isoal·loxazina capaç d'acceptar dos protons i dos electrons complets ( ) en transformacions d'enllaços senzills a dobles (com en la conversió de succinat a fumarat al cicle de l'àcid cítric; vegeu «El cicle de Krebs i la descarboxilació oxidativa del piruvat»). NADP+ / NADPH: el NADPH s'utilitza gairebé exclusivament en biosíntesis reductores. Posseeix un grup fosfat afegit al carboni 2' de la ribosa que serveix com a distintiu estructural perquè els enzims anabòlics el reconeguin específicament, mantenint separades les vies degradatives de les sintètiques. Coenzim A (CoA): actua com a transportador universal de fragments acil.

L'acetil-CoA conté un enllaç tioèster ric en energia unit al grup sulfhidril (-SH) terminal del coenzim A. La hidròlisi d'aquest enllaç és fortament exergònica ( o ), la qual cosa facilita la transferència del grup acetil al cicle de Krebs (vegeu «El cicle de Krebs i la descarboxilació oxidativa del piruvat»). H NADH + H+ 2H + + 2e ΔG = 31,4 kJ/mol 7,5 kcal/mol Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 18 Esquema del coenzim A i detall de l'enllaç tioèster a l'acetil-CoA.

Molècula activada Grup o entitat transportada Vitamina precursora ATP Grup fosforil — NADH / NADPH Electrons (ió hidrur) Niacina (nicotinat) FADH2 / FMNH2 Electrons i protons Riboflavina (vitamina B2) Coenzim A Grup acil / acetil Àcid pantotènic Biotina Biotina Tetrahidrofolat Unitats d'un sol carboni Folato COMPROVA-HO 23 Quina funció té la presència del grup fosfat extra en el NADPH respecte al NADH, si químicament tenen propietats redox similars? 5.

Els 6 tipus fonamentals de reaccions bioquímiques i regulació Malgrat la complexitat del metabolisme celular, la totalitat de les vies es basa en la repetició de sis tipus bàsics de transformacions: CO 2 Reaccions d'oxidació-reducció: transferència d'electrons o àtoms d'hidrogen entre compostos (ex. oxidació de malat a oxaloacetat per ). 1 NAD+ Reaccions d'addició o eliminació (liases): ruptura o formació de dobles enllaços sense hidròlisi ni oxidació directa (ex. addició de al piruvat per carboxilació).

2 CO 2 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 19 Aquestes rutes es regulen mitjançant tres mecanismes fonamentals: el control de la quantitat d'enzim (síntesi i degradació), el control de l'activitat catalítica (inhibició al·lostèrica o retroalimentació negativa) i el control de l'accessibilitat als substrats mitjançant la compartimentació cel·lular. IDEES CLAU El catabolisme oxida biomolècules per obtenir energia i poder reductor, mentre que l'anabolisme empra aquesta energia per a biosíntesis reductores. L'ATP actua com a intermediari universal d'energia gràcies al seu potencial intermedi de transferència de grup fosforil.

La hidròlisi d'ATP és exergònica per la repulsió electroestàtica dels grups fosfat, la ressonància dels productes i la millor hidratació. Com més reduït és un carboni, més quantitat d'energia lliure allibera en la seva oxidació; per això els lípids aporten més energia que els carbohidrats. El NADH canalitza electrons cap a la respiració catabòlica per produir ATP, mentre que el NADPH s'utilitza gairebé exclusivament per a biosíntesis reductores. L'acetil-CoA transporta fragments de dos carbonis mitjançant un enllaç tioèster energèticament reactiu lligat al seu grup sulfhidril. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 24.

Per quines tres causes termodinàmiques i estructurals la hidròlisi de l'ATP allibera tanta energia lliure estàndard? 25. Quina diferència funcional existeix entre l'ús cel·lular del NADH i el del NADPH? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 26. Quin és el valor de l'energia estàndard d'hidròlisi de l'enllaç fosfoanhídric de l'ATP? Reaccions d'isomerització: redistribució intramolecular d'àtoms per canviar la configuració d'un compost (ex. transformació de citrat en isocitrat pel canvi de posició d'un grup hidroxil). 3 Reaccions de transferència de grups funcionals: pas d'un grup químic d'un donador a un acceptor (ex.

fosforilació de la glucosa a glucosa-6-fosfat mitjançant ATP). 4 Reaccions d'hidròlisi: fragmentació d'enllaços covalents mitjançant la incorporació d'una molècula d'aigua (ex. degradació d'enllaços peptídics en proteïnes). 5 Reaccions de tall o escissió per liasi: fragmentació no hidrolítica de cadenes carbonades (ex. escissió de la fructosa-1,6-bisfosfat en dues trioses a la glucòlisi). 6 +30,5 kJ/mol a) -30,5 kJ/mol b) -703 kJ/mol c) -4,2 kJ/mol d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 20 27. Quin compost de carboni allibera més energia lliure per mol en oxidar-se completament? 28. Quin grup químic reactiu és el responsable d'unir grups acil al Coenzim A? 29.

Com permeten els enzims la realització de reaccions metabòliques termodinàmicament desfavorables? 4 Glucòlisi: etapes de preparació, generació d'ATP i destins del piruvat EN ACABAR SABRÀS Distingir les reaccions i requeriments energètics de la fase d'inversió i de la fase de rendiment. Identificar els punts de control irreversible de la glucòlisi i explicar el paper clau de la PFK-1. Calcular el balanç net de matèria, ATP i poder reductor obtingut a partir d'una molècula de glucosa. Explicar els mecanismes de regeneració de NAD+ mitjançant fermentació en condicions anaeròbies.

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 30 Com pot una cèl·lula continuar obtenint energia d'urgència a partir de la glucosa quan els seus músculs es queden sense oxigen disponible? Visió general i context cel·lular de la glucòlisi La glucòlisi és la ruta central del catabolisme de carbohidrats que converteix una molècula de glucosa en dues molècules de piruvat. Aquest procés té lloc al citoplasma cel·lular tant en organismes procariotes com eucariotes. Es tracta d'una via ancestral desenvolupada abans de l'acumulació substancial d'oxigen a l'atmosfera terrestre, fet que permet obtenir energia química útil mitjançant l'oxidació parcial de compostos orgànics sense requerir directament oxigen molecular.

La ruta sencera comprèn deu reaccions enzimàtiques consecutives articulades en dues etapes diferenciades: una primera fase de preparació o inversió energètica, i una segona fase de rendiment o generació d'energia.

A més, altres glúcids provinents de la dieta, com la lactosa (hidrolitzada en Àcid fòrmic a) Metanol b) Formaldehid c) Metà d) Grup fosfat terminal a) Grup hidroxil (-OH) b) Grup amino (-NH ) c) Grup sulfhidril (-SH) d) Fent que el producte sigui inestable a) Modificant la temperatura intracel·lular b) Acoblant-les a processos fortament exergònics c) Invertint el sentit del potencial químic d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 21 galactosa i glucosa) o la fructosa, s'incorporen a la via mitjançant intermediaris fosforilats específics segons el teixit, convergint directament en aquest eix metabòlic.

PROCÉS Flux de reaccions de la glucòlisi COMPROVA-HO 31 Per què la glucòlisi es considera una via metabòlica universal i evolutivament primitiva? Etapa 1: Fase d'inversió energètica i fractura en trioses La finalitat d'aquesta primera fase és atrapar la glucosa intracel·lularment, desestabilitzar-la i escindir-la en dues molècules de tres carbonis fàcilment interconvertibles. Durant aquesta etapa no es produeix ATP, sinó que se'n consumeixen dues unitats. La glucosa penetra a la cèl·lula mitjançant proteïnes transportadores específiques de membrana. Immediatament, l'enzim hexoquinasa transfereix un grup fosforil de l'ATP cap al carboni 6 de la molècula, formant glucosa-6-fosfat (G-6-P).

Aquesta addició de càrrega negativa impedeix que el sucre travessi la membrana citoplasmàtica o reconegui els seus transportadors originals, quedant confinat a l'interior i preparat per al metabolisme posterior. Glucosa a G-6-P Fosforilació irreversible per l'hexoquinasa consumint un ATP. 1 F-6-P a F-1,6-BP Pas limitant catalitzat per la PFK-1 consumint un altre ATP. 2 Escissió en trioses L'aldolasa i la triosa isomerasa produeixen dues unitats de GAP. 3 Oxidació a 1,3-BPG Generació de NADH i formació d'acil-fosfat ric en energia. 4 Producció de piruvat Dues fosforilacions a nivell de substrat generen 4 ATP totals.

5 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 22 Esquema de la fosforilació inicial de la glucosa per l'hexoquinasa. Posteriorment, la fosfoglucosa isomerasa catalitza la conversió reversible d'aldosa a cetosa, transformant la glucosa-6-fosfat en fructosa-6-fosfat (F-6-P). Aquesta reorganització permet exposar un grup alcohol lliure al carboni 1. A continuació, l'enzim al·lostèric fosfofructocinasa (PFK-1) catalitza la conversió de fructosa-6-fosfat a fructosa-1,6-bisfosfat consumint 1 ATP, sent el pas limitant clau de la glucòlisi. La fosfofructocinasa representa el principal punt de control del flux metabòlic d'aquesta via.

Un cop format aquest intermediari simètricament fosforilat, l'aldolasa catalitza la seva partició en dos compostos de tres carbonis: el gliceraldehid-3-fosfat (GAP) i la dihidroxiacetona fosfat (DHAP). Per tal de canalitzar ambdues fraccions cap a la mateixa ruta catabòlica, la triosa fosfat isomerasa transforma la DHAP en una segona molècula de GAP. COMPROVA-HO 32 Quina funció biològica té la fosforilació inicial de la glucosa catalitzada per l'hexoquinasa? Etapa 2: Fase de rendiment i conservació energètica La segona fase recull l'energia química continguda en el gliceraldehid-3-fosfat per conservar-la en forma de poder reductor i enllaços fosfat d'alta energia.

Com que cada molècula de glucosa produeix dues molècules de GAP, totes les reaccions d'aquesta etapa es desenvolupen per duplicat. La primera reacció d'aquesta fase és crucial: la gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa oxida el GAP a 1,3-bisfosfoglicerat generant NADH. Aquest enzim realitza simultàniament l'oxidació del grup aldehid a àcid carboxílic emparellada a la reducció de , i la condensació d'un fosfat inorgànic ( ) per constituir un acil-fosfat anhidre a través d'un intermediari tioèster lligat a l'enzim. NAD+ P i Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 23 Diagrama de l'oxidació i fosforilació del gliceraldehid-3-fosfat a 1,3-BPG.

L'intermediari resultant, l'1,3-bisfosfoglicerat (1,3-BPG), posseeix una energia potencial de transferència de fosfat superior a la de l'ATP. L'enzim fosfoglicerat quinasa aprofita aquest gradient per transferir el grup acil-fosfat cap a l'ADP, sintetitzant ATP i deixant 3-fosfoglicerat com a producte. Aquest procés d'acoblament directe s'anomena fosforilació a nivell de substrat. Seguidament, la fosfoglicerat mutasa desplaça la posició del grup fosforil per transformar el 3- fosfoglicerat en 2-fosfoglicerat. Tot seguit, l'enolasa promou una deshidratació que introdueix un doble enllaç i produeix fosfoenolpiruvat (PEP).

La presència del grup enol-fosfat eleva notablement el potencial de transferència del grup fosforil. Esquema de les reaccions finals de síntesi de piruvat i ATP. Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 24 Finalment, la piruvat quinasa transfereix aquest grup fosfat irreversiblement a l'ADP, originant una segona molècula d'ATP per triosa i alliberant piruvat. La força termodinàmica d'aquest pas rau en la ràpida tautomerització espontània de la forma enol transitòria cap a la forma cetona estable del piruvat. ERROR FREQÜENT Oblidar duplicar els productes de la fase de rendiment.

A partir de l'escissió de la fructosa-1,6- bisfosfat i la isomerització de la DHAP, s'obtenen 2 GAP per cada glucosa. Per tant, es generen 4 ATP bruts i 2 NADH bruts, resultant en un balanç net de 2 ATP i no pas 1 ATP com s'interpreta si només es comptabilitza una triosa. COMPROVA-HO 33 Com s'explica termodinàmicament la síntesi d'ATP a partir de fosfoenolpiruvat catalitzada per la piruvat quinasa? Balanç estequiomètric global de la via El còmput material i energètic de la glucòlisi reflecteix la transformació d'un esquelet carbonat de sis carbonis en dues molècules de tres carbonis, associada a la reducció de coenzims electrònics i al guany net d'ATP.

Reacció i enzim clau Tipus de transformació Balanç energètic / coenzims 1. Hexoquinasa Transferència de fosforil (irreversible) -1 ATP 2. Fosfoglucosa isomerasa Isomerització aldosa-cetosa Neutral 3. Fosfofructocinasa (PFK-1) Transferència de fosforil (irreversible) -1 ATP 4. Aldolasa Escissió aldòlica Neutral 5. Triosa fosfat isomerasa Isomerització de trioses Neutral 6. Gliceraldehid-3-P deshidrogenasa Oxidació i fosforilació +2 NADH + 2 7. Fosfoglicerat quinasa Fosforilació a nivell de substrat +2 ATP 8. Fosfoglicerat mutasa Reorganització intramolecular Neutral 9. Enolasa Deshidratació (generació d'enol-fosfat) Neutral 10.

Piruvat quinasa Fosforilació a nivell de substrat (irreversible) +2 ATP La reacció neta de la glucòlisi produeix per cada glucosa: 2 piruvat, 2 ATP nets i 2 NADH, expressada segons l'equació: H+ Glucosa + 2 P + i 2 ADP + 2 NAD + 2 Piruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H + + 2 H O 2 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 25 Com es pot observar, els passos irreversibles i altament exergònics d'aquesta ruta corresponen a les reaccions 1, 3 i 10. Aquests passos són precisament els que se substitueixen durant la gluconeogènesi (vegeu «Gluconeogènesi i metabolisme del glicogen»).

Destins metabòlics del piruvat i regeneració de NAD+ Perquè el flux glucolític es pugui mantenir en el temps, la cèl·lula necessita regenerar de forma contínua el coenzim oxidant consumit en el pas 6. Segons la disponibilitat d'oxigen i el tipus d'organisme, el piruvat segueix tres rutes principals: COMPROVA-HO 34 Quina és la finalitat primària de convertir el piruvat en lactat durant la fermentació làctica en absència d'oxigen? IDEES CLAU La glucòlisi degrada una molècula de glucosa a dues molècules de piruvat al citoplasma de cèl·lules eucariotes i procariotes.

La fase d'inversió consumeix 2 ATP en les etapes de l'hexoquinasa i la fosfofructocinasa (PFK- 1), dividint la molècula en dues trioses. La PFK-1 representa el pas limitant clau i el punt de regulació al·lostèrica central de la glucòlisi. A la fase de rendiment, la gliceraldehid-3-fosfat deshidrogenasa genera NADH, i les quinases sintetitzen 4 ATP per fosforilació a nivell de substrat. El balanç net per molècula de glucosa és de 2 piruvat, 2 ATP nets i 2 NADH. En condicions anaeròbies, la fermentació làctica o alcohòlica permet regenerar el necessari per mantenir la via activa.

NAD+ Fermentació làctica (anaeròbia): En teixits animals sotmesos a demanda energètica intensa o sense accés suficient a oxigen, la lactat deshidrogenasa redueix el piruvat a lactat utilitzant els electrons del NADH. D'aquesta manera es recupera el sense produir oxidació neta addicional. 1 NAD+ Fermentació alcohòlica (anaeròbia): En microorganismes com el llevat, el piruvat primer es descarboxila a acetaldehid alliberant , i posteriorment es redueix a etanol oxidant el NADH a .

2 CO 2 NAD+ Oxidació aeròbia completa (respiració cel·lular): En presència d'oxigen, el piruvat s'introdueix a la matriu mitocondrial per formar acetil-CoA (vegeu «El cicle de Krebs i la descarboxilació oxidativa del piruvat») i entrar al cicle de l'àcid cítric, oxidar-se totalment a i , i transferir els electrons del NADH cap a la cadena respiratòria. 3 CO 2 H O 2 NAD+ Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 26 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 35. Quins són els tres enzims que catalitzen els passos irreversibles de la glucòlisi? 36. Quin és el balanç net d'ATP i de NADH obtingut a partir de la degradació completa d'una molècula de glucosa mitjançant la glucòlisi?

Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 37. Quin enzim catalitza el principal pas limitant de la glucòlisi? 38. Quantes molècules d'ATP netes es generen en la glucòlisi per cada glucosa? 39. Quin paper compleix la fermentació làctica quan manca oxigen? 40. Quin enzim catalitza la primera fosforilació a nivell de substrat de la via? 5 Gluconeogènesi i metabolisme del glicogen EN ACABAR SABRÀS Distingir els tres bypass enzimàtics de la gluconeogènesi respecte a les reaccions irreversibles de la glucòlisi. Calcular el balanç estequiomètric d'ATP, GTP i NADH necessari per sintetitzar glucosa a partir de piruvat.

Explicar el mecanisme de fosforòlisi i desramificació en la degradació del glicogen. Descriure el paper de la UDP-glucosa com a donador en la polimerització del glicogen. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 41 Per què el cos humà gasta 6 enllaços rics en energia en la gluconeogènesi per formar una molècula que només genera 2 ATP nets en la glucòlisi?

Piruvat quinasa a) Fosfofructocinasa (PFK-1) b) Triosa fosfat isomerasa c) Hexoquinasa d) 1 ATP a) 6 ATP b) 4 ATP c) 2 ATP d) Produir acetil-CoA lliure a) Sintetitzar glucosa addicional b) Regenerar el coenzim NAD+ c) Formar més molècules de NADH d) Hexoquinasa a) Piruvat quinasa b) Fosfoglicerat quinasa c) Gliceraldehid-3-P deshidrogenasa d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 27 La gluconeogènesi és la ruta de síntesi de glucosa nova a partir de precursors orgànics no glucídics. Els principals substrats d'entrada són el piruvat, el lactat produït per fermentació anaeròbica, el glicerol derivat de lípids i els aminoàcids glucogènics.

Aquest procés no té lloc arreu: es localitza de forma primordial al fetge i, en una proporció menor, a l'escorça del ronyó. Ambdós òrgans s'encarreguen de mantenir els nivells adequats de glucèmia circulant. La lògica termodinàmica: per què la gluconeogènesi no inverteix la glucòlisi La degradació de glucosa fins a piruvat allibera una gran quantitat d'energia lliure ( ). Per aquesta raó termodinàmica, la biosíntesi no pot ser un simple recorregut invers de les mateixes reaccions.

Els tres passos més exergònics i irreversibles de la glucòlisi (catalitzats per cinases: hexocinasa, fosfofructocinasa i piruvat cinasa; vegeu «Glucòlisi: etapes de preparació, generació d'ATP i destins del piruvat») s'han de sortejar mitjançant tres bypass o rodejos metabòlics alternatius. Reaccions irreversibles i fortament exergòniques de la glucòlisi.

Etapa glucolítica irreversible Enzim glucolític Enzim gluconeogènic alternatiu Compartiment cel·lular Piruvat Fosfoenolpiruvat Piruvat cinasa Piruvat carboxilasa i Fosfoenolpiruvat carboxicinasa (PEPCK) Matriu mitocondrial i citosol Fructosa-1,6-bisfosfat Fructosa-6-P Fosfofructocinasa (PFK) Fructosa-1,6-bisfosfatasa Citosol Glucosa-6-fosfat Glucosa Hexocinasa Glucosa-6-fosfatasa Membrana del reticle endoplasmàtic amb un ΔG global pr xim a o ˋ 284 kJ/mol Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 28 Els tres rodejos enzimàtics Primer rodeig: De piruvat a fosfoenolpiruvat Aquest primer pas esquiva la reacció de la piruvat cinasa mitjançant dues reaccions acoblades amb despesa energètica: La síntesi de fosfoenolpiruvat a partir d'oxaloacetat té una variació d'energia lliure estàndard propera a , avançant de manera favorable cap a les etapes reversibles següents.

Segon rodeig: De fructosa-1,6-bisfosfat a fructosa-6-fosfat Després de diverses reaccions reversibles comunes amb la glucòlisi, la fructosa-1,6-bisfosfatasa catalitza la hidròlisi exergònica del grup fosfat de la posició 1 per alliberar ortofosfat inorgànic ( ), sense generar ATP. La fructosa-6-fosfat resultant s'isomeritza fàcilment a glucosa-6-fosfat. Estructures químiques de la fructosa-1,6-bisfosfat i fructosa-6-fosfat en cadena oberta. Tercer rodeig: Hidròlisi de glucosa-6-fosfat a glucosa lliure En la majoria de teixits la ruta s'atura a glucosa-6-fosfat per alimentar altres vies o emmagatzemar-se.

Tanmateix, per abocar glucosa lliure a la sang, el fetge i el ronyó expressen la glucosa-6-fosfatasa. Aquest enzim integral s'ubica a la cara luminal de la membrana del reticle endoplasmàtic. Després d'hidrolitzar el fosfat terminal, la glucosa neta i el s'exporten cap al citosol i a la circulació sanguínia. Carboxilació mitocondrial: El piruvat entra a la matriu mitocondrial, on l'enzim piruvat carboxilasa el transforma en oxaloacetat (vegeu «El cicle de Krebs i la descarboxilació oxidativa del piruvat»).

Aquesta reacció requereix la hidròlisi d'un ATP i la fixació d'una molècula de : 1 CO 2 Piruvat + CO + 2 ATP + H O 2 Oxaloacetat + ADP + P + i 2H+ Descarboxilació i fosforilació: L'oxaloacetat es transporta al citosol (a través d'intermediaris com el malat) i allí la fosfoenolpiruvat carboxicinasa (PEPCK) el descarboxila i el fosforila utilitzant GTP, formant fosfoenolpiruvat (PEP): 2 Oxaloacetat + GTP Fosfoenolpiruvat + GDP + CO 2 +0,8 kJ/mol P i P i Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 29 ERROR FREQÜENT Un error molt habitual d'examen és assumir que la glucosa-6-fosfatasa és un enzim citosòlic present a totes les cèl·lules.

La glucosa-6-fosfatasa està ancorada a la membrana del reticle endoplasmàtic i pràcticament només s'expressa al teixit hepàtic i renal; per això el múscul no pot alliberar glucosa directa al torrent sanguini. COMPROVA-HO 42 Quants enllaços rics en energia cal trencar per transformar 2 molècules de piruvat en 1 molècula de glucosa? Cost energètic estequiomètric de la gluconeogènesi La síntesi neta d'una molècula de glucosa a partir de dues de piruvat és un procés energèticament car que requereix 4 ATP, 2 GTP i 2 NADH: Aquest acoblament bioenergètic condueix la reacció global amb un , assegurant que la síntesi avanci malgrat la despesa de combustible metabòlic.

PER RECORDAR-HO Compara el balanç: invertir la glucòlisi directament suposaria un . La gluconeogènesi gasta 4 enllaços rics addicionals (permetent assolir ) per forçar el sentit biosintètic. Metabolisme del glicogen El glicogen és el polisacàrid de reserva d'emmagatzematge ràpid que s'acumula en forma de grànuls citoplasmàtics hidratats, sobretot al fetge i a les fibres musculars. La seva estructura polimèrica combina cadenes lineals amb enllaços i punts periòdics de ramificació amb enllaços (vegeu «Estructura i funció dels glúcids: de monosacàrids a glicoproteïnes»). Esquema de la reacció de fosforòlisi catalitzada per la glicogen fosforilasa.

2 Piruvat + 4ATP + 2GTP + 2NADH + 6H O 2 Glucosa + 4ADP + 2GDP + 6P + i 2NAD + + 2H+ ΔG de °' 48 kJ/mol ΔG desfavorable de + °' 84 kJ/mol 48 kJ/mol α-1,4 α-1,6 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 30 Glicogenòlisi: trencament del polímer L'eliminació seqüencial de residus des dels extrems no reductors no és una reacció d'hidròlisi sinó una fosforòlisi. La glicogen fosforilasa empra ortofosfat inorgànic per trencar els enllaços , alliberant directament unitats de glucosa-1-fosfat sense gastar ATP. Una fosfoglucomutasa interconverteix la glucosa-1-fosfat en glucosa-6-fosfat. La fosforilasa s'atura en apropar-se a 4 residus d'una ramificació.

En aquest punt actua un enzim bifuncional desramificador: primer, la seva activitat oligosacàrid transferasa mou un bloc de tres residus a una cadena adjacent; després, la seva activitat -glucosidasa hidrolitza el residu unit en , alliberant una molècula de glucosa lliure sense fosforilar. COMPROVA-HO 43 Quin és el producte majoritari de l'acció directa de la glicogen fosforilasa sobre el glicogen? Glicogènesi: construcció del polímer via UDP-glucosa Per afegir noves unitats de sucre, la cèl·lula empra un intermediari d'alta energia.

La UDP-glucosa és el donador actiu de glucosa, format a partir de glucosa-1-fosfat i uridina trifosfat (UTP) amb alliberament de pirofosfat ( ): La glicogen sintasa transfereix el residu glucídic des de la UDP-glucosa a l'extrem C-4 no reductor d'una cadena preexistent, formant un nou enllaç . Posteriorment, l'enzim ramificador agafa fragments d'enllaços i els transfereix creant nous punts d'unió , multiplicant els extrems accessibles per accelerar la síntesi i la degradació posteriors.

PROCÉS Síntesi i degradació del glicogen α-1,4 α-1,6 α-1,6 PP i Glucosa-1-fosfat + UTP UDP-glucosa + PP i α-1,4 α-1,4 α-1,6 Glucosa-6-P Intermediari central comú amb el metabolisme glucídic 1 Glucosa-1-P Interconversió reversible mitjançant la fosfoglucomutasa 2 UDP-glucosa Activació energètica mitjançant consum d'UTP 3 Elongació alfa-1,4 Acció de la glicogen sintasa sobre extrems no reductors 4 Ramificació alfa-1,6 L'enzim ramificador crea nous extrems lliures 5 Fosforòlisi La glicogen fosforilasa allibera glucosa-1-P amb Pi 6 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 31 Regulació recíproca entre vies contraposades La cèl·lula evita el malbaratament energètic mitjançant un control creuat coordinat que impedeix que la síntesi i la degradació operin simultàniament a velocitats elevades: Nivell energètic cel·lular: Concentracions altes d'AMP estimulen la degradació (fosfofructocinasa i glicogen fosforilasa) i inhibeixen la gluconeogènesi (inhibint la fructosa-1,6-bisfosfatasa).

Per contra, alts nivells d'ATP i citrat frenen la glucòlisi i afavoreixen la gluconeogènesi. Disponibilitat de substrats: Nivells elevats d'acetil-CoA activen al·lostèricament la piruvat carboxilasa i inhibeixen la piruvat cinasa. Compartimentació cel·lular: La separació física entre matriu mitocondrial, citosol i llum del reticle endoplasmàtic permet aïllar reaccions clau. COMPROVA-HO 44 Què passaria a la cèl·lula si la fosfofructocinasa i la fructosa-1,6-bisfosfatasa actuessin alhora a la mateixa velocitat? IDEES CLAU La gluconeogènesi sintetitza glucosa a partir de precursors com el lactat, piruvat, glicerol i aminoàcids glucogènics, principalment al fetge i al ronyó.

Els tres passos irreversibles de la glucòlisi se superen mitjançant bypass específics: piruvat carboxilasa/PEPCK, fructosa-1,6-bisfosfatasa i glucosa-6-fosfatasa. La generació neta d'una molècula de glucosa des de dues de piruvat requereix una despesa estequiomètrica de 4 ATP, 2 GTP i 2 NADH. La glicogenòlisi allibera glucosa-1-fosfat mitjançant fosforòlisi dels enllaços per acció de la glicogen fosforilasa. La glicogènesi requereix l'activació de la glucosa en UDP-glucosa per permetre l'allargament mitjançant la glicogen sintasa. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 45. En quin compartiment cel·lular s'inicia el primer bypass de la gluconeogènesi i quin enzim hi intervé? 46.

Com actua l'enzim desramificador quan la glicogen fosforilasa s'atura prop d'un enllaç ? α-1,4 α-1,6 Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 32 Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 47. Quin és el nucleòtid activat que actua com a donador de glucosa en la biosíntesi del glicogen? 48. On es localitza l'enzim glucosa-6-fosfatasa a la cèl·lula hepàtica? 49. Quin compost inhibeix la fructosa-1,6-bisfosfatasa i activa la fosfofructocinasa? 50. Quin tipus de reacció utilitza la glicogen fosforilasa per trencar els enllaços alfa-1,4?

6 El cicle de Krebs i la descarboxilació oxidativa del piruvat EN ACABAR SABRÀS Descriure el mecanisme i els cofactors de la descarboxilació del piruvat pel complex PDH Identificar les 8 etapes enzimàtiques del cicle de Krebs i els seus intermediaris Localitzar les reaccions on es produeixen descarboxilacions oxidatives i fosforilacions a nivell de substrat Calcular el balanç químic i energètic net d'una volta completa del cicle PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 51 Per què el cicle de Krebs s'atura en absència d'oxigen si cap de les seves reaccions individuals utilitza directament O ?

El processament aeròbic dels derivats de la glucosa, els lípids i els aminoàcids convergeix en una ruta cíclica central: el cicle de l'àcid cítric, conegut també com a cicle dels àcids tricarboxílics (TCA) o cicle de Krebs. Aquesta via constitueix el nus metabòlic comú final per oxidar completament els combustibles cel·lulars fins a diòxid de carboni, extraient electrons d'alta energia que alimentaran la síntesi d'ATP.

CDP-glucosa a) ADP-glucosa b) GDP-glucosa c) UDP-glucosa d) Citosol lliure a) Membrana del reticle endoplasmàtic b) Espai intermembrana c) Matriu mitocondrial d) AMP a) ATP b) GTP c) Citrat d) Oxidació directa a) Hidròlisi simple b) Fosforòlisi c) Descarboxilació d) Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 33 PROCÉS Destí catabòlic dels nutrients cap a la fosforilació oxidativa La descarboxilació oxidativa del piruvat i el complex PDH En presència d'oxigen, el piruvat generat al citosol (vegeu «Glucòlisi: etapes de preparació, generació d'ATP i destins del piruvat») travessa la membrana mitocondrial mitjançant un transportador específic fins a arribar a la matriu mitocondrial.

En aquest compartiment, una agrupació multienzimàtica anomenada complex de la piruvat deshidrogenasa (PDH) catalitza una reacció irreversible clau: la descarboxilació oxidativa del piruvat per formar acetil-CoA. DEFINICIÓ El complex de la piruvat deshidrogenasa és una maquinària molecular formada per 3 enzims funcionals (E1, E2 i E3) que requereix 5 coenzims per acoblar la pèrdua d'un carboni en forma de , l'oxidació del fragment restant i la transferència del grup acetil al coenzim A. Durant aquest procés, s'alliberen electrons que són transferits al cofactor per formar NADH.

El grup acetil resultant s'uneix mitjançant un enllaç ric en energia al grup sulfhidril (-SH) terminal del coenzim A (vegeu «Bioenergètica i lògica del metabolisme cel·lular»), constituint l'acetil-CoA. Glúcids, lípids i aminoàcids Combustibles metabòlics cel·lulars inicials 1 Acetil-CoA Intermediari comú de dos carbonis 2 Cicle de Krebs Oxidació completa a CO i recollida d'electrons 3 NADH i FADH Coenzims reduïts rics en electrons 4 Cadena respiratòria Síntesi aeròbica d'ATP mitocondrial 5 CO 2 NAD+ Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 34 Estructura química de l'acetil-CoA destacant l'enllaç tioèster ric en energia.

COMPROVA-HO 52 Quants carbonis del piruvat original ingressen efectivament al cicle de Krebs en forma d'acetil-CoA? Entrada al cicle i reaccions d'oxidació inicials El cicle s'inicia pròpiament amb la condensació de la unitat d'acetil (2 carbonis) de l'acetil-CoA sobre una molècula de quatre carbonis, l'oxaloacetat, generant un intermediari transitori anomenat citril-CoA. L'enzim citrat sintasa catalitza la hidròlisi immediata de l'enllaç tioèster, alliberant coenzim A i impulsant la formació de citrat (6 carbonis) gràcies a una forta variació negativa d'energia lliure ( ). Esquema de condensació d'oxaloacetat i acetil-CoA catalitzada per la citrat sintasa.

A continuació, el citrat pateix una isomerització perquè el grup hidroxil no es troba en la posició òptima per a les descarboxilacions posteriors. L'enzim aconitasa (que conté un centre Fe-S) deshidrata el citrat a cis-aconitat i el rehidrata tot seguit per formar isocitrat. ΔG = 31,4 kJ/mol Bioquímica: Biomolècules, Bioenergètica i Metabolisme 35 Un cop format l'isocitrat, es produeix la primera de les quatre oxidacions del cicle catalitzada per la isocitrat deshidrogenasa. Aquest enzim realitza una descarboxilació oxidativa: oxida el grup alcohol a cetona (oxalosuccinat com a intermediari) i allibera una molècula de , transferint un parell d'electrons a un per generar el primer NADH.

El compost resultant és l'alfa-cetoglutarat (5 carbonis). Tot seguit té lloc una segona descarboxilació oxidativa catalitzada pel complex alfa-cetoglutarat deshidrogenasa, un conjunt multienzimàtic estretament homòleg a la piruvat deshidrogenasa que utilitza també àcid lipoic i TPP. Aquesta reacció converteix l'alfa-cetoglutarat en succinil-CoA (4 carbonis), desprenent el segon i formant el segon NADH. COMPROVA-HO 53 Quina és la raó química per la qual el citrat s'ha d'isomeritzar a isocitrat abans de…