Texto del documento
Catabolisme: produeix la degradació (oxidació) de molècules orgàniques amb la finalitat d'obtenir energia en forma d'ATP. Durant les oxidacions, s'obtenen coenzims reduïts (NADH, FADH2, etc.) necessaris per a l'anabolisme. El catabolisme està conformat per una sèrie de rutes metabòliques convergents en el cicle de Krebs que degrada la matèria orgànica a inorgànica (CO2 i H2O). El catabolisme dels glúcids són la fermentació i la respiració aeròbia. SEMPRE cal prèviament la glucòlisi on s'obté àcid pirúvic. Fermentació: sense oxigen, té lloc al hialoplasma. Degradacions incompletes, Respiració aeròbica: amb oxigen, té lloc al mitocondri. El producte final és una molècula orgànica.
1 GLUCÒLISI (CATABOLISME ANAERÒBIC GLÚCIDS) Què és: degradació de la glucosa a piruvat (= àcid pirúvic). On té lloc: hialoplasma Rendiment energètic: 2 ATP (fosforilació a nivell de substrat). Objectius de la glucòlisi: - Obtenir energia en forma d'ATP (fosforilació a nivell de substrat, transfereix directament un grup fosfat des d'una molècula orgànica rica en energia a una molècula d'ADP). - Obtenir poder reductor en forma de NADH + H+ . - Obtenir precursors metabòlics (ex: gliceraldehid-3-fosfat). 2 FERMENTACIONS (CATABOLISME ANAERÒBIC GLÚCIDS) Què és?
procés catabòlic anaerobi que ocorre en el hialoplasma i en el qual es produeix una degradació de la matèria orgànica a biomolècules orgàniques més simples, amb la finalitat d'obtenir energia. On té lloc: hialoplasma. 2 tipus: FERMENTACIÓ LÀCTICA BALANÇ (glucòlisi + fermentació làctica): Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 àcids làctics + 2 ATP + 2 H2O Qui la porta a terme: - Bacteris làctics (formatge, iogurt). - Cèl·lules del múscul esquelètic quan fan un exercici intens i no tenen O2. FERMENTACIÓ ALCOHÒLICA BALANÇ (glucòlisi + fermentació alcohòlica): Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 etanols + 2 CO2+ 2 ATP + 2 H2O Qui la porta a terme: llevats Saccharomyces (vi, cervesa o pa).
Objectius fermentacions: - Són degradacions incompletes: el producte final és un compost orgànic. - Consumeixen el NADH de la glucòlisi i restauren el NAD+ . - No s'obté més ATP que el de la glucòlisi (2 ATP). 3 RESPIRACIÓ CEL·LULAR (AERÒBICA) Què és? conjunt de processos catabòlics que tenen lloc en els mitocondris, en els quals es produeix la degradació total de les molècules orgàniques a diòxid de carboni (CO2) i aigua (H2O), amb obtenció d'energia en forma d'ATP i consum d'oxigen (O2). Té 3 etapes: a) Descarboxilació oxidativa del piruvat (obtenció d'acetil-CoA). b) Cicle de Krebs. c) Cadena de transport electrònic mitocondrial i la fosforilació oxidativa.
On té lloc: mitocondri (a i b: matriu mitocondrial i c: membrana interna). a) Descarboxilació oxidativa del piruvat (obtenció d'acetil-CoA).
Lloc: matriu mitocondrial Piruvat + NAD+ + CoA Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Reacció x 2: 2 Piruvat + 2 NAD+ + 2 CoA 2 Acetil-CoA + 2 (NADH + H+ )+ 2 CO2 4 b) Cicle de Krebs On té lloc: matriu mitocondrial (via amfibòlica participa en processos anabòliques i catabòliques) Coenzims obtinguts: NADH FADH2 Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + H2O CoA + 3 (NADH + H+ ) + FADH2 + GTP + 2 CO2 (Reacció x2): 2Acetil-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 H2O 2 CoA + 6 (NADH + H+ ) + 2 FADH2 + 2 GTP + 4 CO2 c) Cadena de transport electrònic mitocondrial i fosforilació oxidativa Lloc: mitocondri, membrana mitocondrial interna.
3 etapes: 1a NADH i FADH2 cedeixen els electrons (e– ) a la cadena de transportadors de e– . A través de la cadena de transport electrònic, els e– arriben fins a l'oxigen, que és l'acceptor final dels H+ i els e– : NADH: és el donador d'electrons i O2: acceptor d'electrons. 2a Generació d'un gradient electroquímic: segons la teoria quimiosmòtica, l'energia que els e– van perdent en passar a través de la cadena, s'utilitza per a bombar H+ des de la matriu a l'espai intermembrana, a través dels complexos I, III i IV.
D'aquesta manera, es genera un gradient químic entre l'espai intermembrana i la matriu (més [H+ ] en l'espai 5 intermembrana) i elèctric (més càrregues positives en l'espai intermembrana en relació amb la matriu). A causa d'aquest gradient electroquímic, els H+ tendeixen a entrar de nou en la matriu, però la membrana mitocondrial interna és impermeable a aquests. Reacció global de la respiració aeròbica: Glucosa + 6 O2 + 30 ADP + 30 Pi 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP + 32 H2O 3a Síntesi d'ATP mitjançant fosforilació oxidativa: en la membrana mitocondrial interna estan situades les ATP sintases, amb un canal en l'interior a través del qual poden retornar els H+ a la matriu mitocondrial.
El pas de H+ activa les ATPases. ENERGIA TOTAL: glucòlisi + descarboxilació oxidativa + cicle de krebs (PAU accepten entre 32-38 ATP, segons si es tenen en compte 2,5 o 3 per NADH) - Glucòlisi: 7 ATP [2 ATP + 2 NADH (x 2,5 = 5 ATP)] - (2 ATP per entrar el NADH al mitocondri)= 7 ATP - Descarboxilació oxidativa: 5 ATP 2 NADH x 2,5 = 5 ATP - Cicle de Krebs: 20 ATP 2 GTP (=2 ATP) + 6 NADH (x 2,5 = 15 ATP) + 2 FADH2 (x 1,5 = 3 ATP)= 20 ATP BALANÇ ENERGÈTIC: 32 ATP 6 CATABOLISME DE LÍPIDS (AERÒBICA) Els triglicèrids són les molècules de reserva energètica. El primer pas és la hidròlisi, de la qual resulta glicerol i tres àcids grassos (lipasa).
El glicerol es transforma en gliceraldehid-3-fosfat i s'incorpora a la glucòlisi. Els àcids grassos es degraden en la matriu mitocondrial. La degradació implica tres etapes: activació, entrada en el mitocondri i β-oxidació. -> 1a Activació dels àcids grassos: formació d'acil-CoA gras Consisteix en la unió de l'àcid gras al CoA per a formar un acil-CoA gras. Té lloc a la membrana mitocondrial externa o de la membrana del reticle endoplasmàtic llis. -> 2a Entrada de l'àcid gras activat en la matriu mitocondrial (calen 2 ATP) Els àcids grassos de cadena curta (fins a 12 carbonis) travessen la bicapa lipídica de les membranes mitocondrials.
Els àcids grassos de cadena llarga (de més de 12 carbonis) necessiten una llançadora que els introdueixi en la matriu mitocondrial: la llançadora de carnitina, que consumeix ATP. -> 3a β-oxidació dels àcids grassos La β-oxidació dels àcids grassos és un procés catabòlic cíclic mitjançant el qual els àcids grassos alliberen dos àtoms de carboni en forma d'acetil-CoA per cada volta del cicle. Lloc: matriu mitocondrial 7 Reacció global: Àcid(n) gras-CoA + FAD + H2O + NAD+ + CoA àcid(n-2) gras-CoA + FADH2 + NADH + H+ + acetil-CoA Fórmules generals per calcular el balanç: Per a un àcid gras saturat de n carbonis 1. Nombre d'acetil-CoA generats: Acetil-CoA=n/2 2.
Nombre de cicles de beta-oxidació: Cicles= (n/2) -1 3. Productes per cicle: En cada volta s'obté 1 FADH i 1 NADH + H . 4. Cicle de Krebs: Cadascun dels fragments d'Acetil-CoA entra al cicle de Krebs i produeix 3 NADH, 1 FADH i 1 GTP. 5. Cost d'activació: Es gasten 2 ATP per activar l'àcid gras a acil-CoA inicialment.
Exemple pràctic: Àcid Palmític (16 C, 7 cicles, 8 Acetil-CoA) Es donen tantes beta-oxidacions com número de parell de carbonis tingui la molècula Beta-oxidació (7 cicles): 28 ATP 7 NADH × 2,5 ATP = 17,5 ATP 7 FADH × 1,5 ATP = 10,5 ATP Cicle de Krebs (8 unitats d'Acetil-CoA): 80 ATP 8 × 3 NADH = 24 NADH × 2,5 ATP = 60 ATP 8 × 1 FADH = 8 FADH × 1,5 ATP = 12 ATP 8 × 1 GTP = 8 ATP Activació inicial: -2 ATP Total net: Amb rendiment modern (2,5 per NADH i 1,5 per FADH ): 106 ATP. Amb rendiment clàssic (3 per NADH i 2 per FADH ): 129 ATP. VIA GLUCOSÍDICA VIA LIPÍDICA Glucosa (6 C) 32 ATP 32 ATP/ 6 C = 5,33 ATP/C Àcid gras (16 C) 129 ATP 129 ATP/ 16 C = 8,06 ATP/C Més rendible!
Tot i ser que els lípids són més rendibles, metabòlicament es prefereixen els glúcids —malgrat que els greixos aporten més de doblar d'energia per gram ( enfront de 9 / )— es deu a cinc motius biològics principals: 4 / 1. Rapidesa d'obtenció d'energia (Cinètica metabòlica) La glucòlisi és una via metabòlica molt ràpida que té lloc directament al citosol cel·lular. Quan la cèl·lula necessita energia immediata, la degradació de la glucosa produeix ATP molt més de pressa que la -oxidació dels àcids grassos, que és un procés molt més lent i β complex. 8 2. Solubilitat i mobilització Glúcids: La glucosa és una molècula petita i hidrosoluble.
Circula lliurement per la sang i es troba ja dissolta al citoplasma cel·lular, de manera que està disponible a l'instant per ser utilitzada. Lípids: Els triaglicèrids són hidròfobs i s'emmagatzemen en forma de gotes de greix a l'interior dels adipòcits (teixit adipós). Per utilitzar-los, cal hidrolitzar-los (lipòlisi), transportar els àcids grassos per la sang units a proteïnes com l'àlbumina i introduir-los dins la matriu mitocondrial mitjançant llançadores específiques (carnitina). Aquest procés requereix un temps de preparació molt més llarg. 3.
Capacitat de funcionar en anòxia (absència d'oxigen) Els glúcids poden generar energia tant en condicions aeròbiques (respiració) com anaeròbiques (mitjançant la glucòlisi i posterior fermentació). En canvi, el catabolisme dels lípids és un procés estrictament aeròbic: necessita oxigen obligatòriament a la cadena respiratòria mitocondrial per poder cremar l'acetil-CoA obtingut a la -oxidació. β 4. Eficiència segons el consum d'oxigen ( ) 2 Encara que els lípids tenen més rendiment per gram (perquè estan molt més reduïts químicament), els glúcids són més eficients per molècula d'oxigen consumida.
Com que els àcids grassos estan gairebé mancats d'oxigen en la seva estructura ( ), 2 2 requereixen molta més quantitat d' per oxidar-se completament. Si l'aportació d'oxigen als 2 teixits és limitada, la cèl·lula extreu més ATP per litre d'oxigen utilitzant glucosa. 5. Dependència de teixits vitals i integració metabòlica Òrgans dependents: Certs teixits fonamentals no poden utilitzar lípids com a font d'energia primària. Els glòbuls vermells no tenen mitocondris, de manera que depenen al 100% de la glucòlisi anaeròbica. El cervell normalment tampoc no pot utilitzar àcids grassos (no creuen la barrera hematoencefàlica) i utilitza glucosa com a combustible principal.
Necessitat de la glucosa per cremar greixos: Perquè l'acetil-CoA dels lípids pugui entrar al cicle de Krebs, necessita condensar-se amb una molècula d'oxalacetat. L'oxalacetat es regenera principalment a partir del piruvat (que ve de la glucosa). Per això en bioquímica existeix la dita clássica: "els greixos cremen al foc dels carbohidrats". 9 CATABOLISME DE LES PROTEÏNES (NO ENTRA A LES PAU) Les proteïnes tenen fonamentalment missions diferents de les energètiques. Les proteïnes es descomponen i els aminoàcids que hem ingerit amb la dieta es destinen a la biosíntesi de proteïnes o d'altres composts orgànics nitrogenats.
Però l'excés d'aminoàcids no es pot emmagatzemar ni excretar, sinó que es converteixen en àcids grassos o s'empren directament com a combustible. Per això en casos de necessitat, els aminoàcids són oxidats i els derivats d'aquestes oxidacions poden entrar al cicle de Krebs i a la cadena respiratòria. Es distingeixen tres mecanismes de degradació dels aminoàcids: -> La transaminació, consisteix en el traspàs del grup amino d'un aminoàcid a una molècula anomenada α-cetoàcid, que l'accepta i es transforma en un altre aminoàcid, de manera que un aminoàcid es degrada per permetre que un altre se sintetitza.
Les transaminacions són catalitzades per les transaminases, que es troben tant al citoplasma com a la matriu mitocondrial. Aminoàcid + α-cetoàcid α-cetoàcid2 + Aminoàcid2 -> La desaminació oxidativa, és l'alliberació directa dels grups amino dels aminoàcids en forma de NH4, i així es formen α-cetoàcids. Les desaminacions dels aminoàcids són catalitzades per enzims del grup de les deshidrogenases localitzades al citoplasma i als mitocondris de les cèl.lules hepàtiques. En les desaminacions es produeixen coenzims reduïts (NADH) que poden entrar a la cadena respiratòria.
Aminoàcid + H2O + NAD+ α-cetoàcid + NH + NADH+ H+ -> La descarboxilació és la pèrdua del grup carboxil (-C00H) en forma de CO2. Prèviament l'aminoàcid deu haver perdut el grup amino. El producte pot incorporar-se al cicle de Krebs. 10 ANABOLISME AUTÒTROF: FOTOSÍNTESI I QUIMIOSÍNTESI LA FOTOSÍNTESI Font carboni: compostos inorgànics. La vida a la terra depèn dels organismes fotosintètics, fabriquen la matèria orgànica a partir de la inorgànica. Assenten les cadenes tròfiques de l'ecosistema. La fotosíntesi és el procés mitjançant el qual algunes cèl·lules capten l'energia de la llum solar i la utilitzen per fabricar matèria orgànica a partir d'inorgànica.
Equació global: (molècules inorgàniques molècules orgàniques) Llum solar + 6 CO2 + 6H2O Glucosa + 6 O2 Les plantes verdes, les algues i els cianobacteris realitzen la fotosíntesi oxigènica on es desprèn oxigen. La resta d'éssers vius aerobis utilitzen aquest oxigen. Els bacteris fotosintètics realitzen la fotosíntesi anoxigènica, on no s'allibera oxigen perquè l'agent reductor no és l'aigua, és l'àcid sulfhídric i es desprèn sofre. A. Fases de la fotosíntesi La fotosíntesi oxigènica feta per les plantes, passa als cloroplasts i té 2 fases: la fase lumínica i la fosca. - Fase lumínica: Les substàncies captadores d'energia de la llum són els pigments (carotenoides i clorofil·les).
11 En els tilacoides, els pigments estan agrupats en dos fotosistemes (complex multiproteic que capta energia lumínica). - El fotosistema I (PSI o P700). - El fotosistema II (PSII o P680). Esquema z de la fase lumínica o transport electrònic fotosintètic no cíclic: 1- El PSI absorbeix llum, els electrons excitats a través de la cadena fins al NADP+, al PSII li falten electrons, li queda un buit.
2- El PSII absorbeix llum i els electrons excitats passen per una cadena central de transportadors d'electrons fins al PSI 3- Fotòlisi de l'aigua: el PSII necessita electrons, que li són cedits per l'aigua: H2O -> 2 H+ + 2 e- + ½ O2 A conseqüència d'aquest procés, el NADP+ capta H+ i e-, i es transforma en NADPH NADP+. NADP+ 2 H+ + 2e- -> NADPH + H+ 5. En el PSII al PSI (cadena de transport d'e- ) hi ha desprendiment d'energia és utilitzada per bombar H+ des de l'estroma a l'interior del tilacoide, i que genera gradient electroquímic entre els dos espais (augmenta la concentració de H+ a l'interior del 12 tilacoide).
Per a retornar a l'estroma, han de fer-ho a través de l'ATP sintasa o ATPasa, que s'activa i sintetitza ATP. Transport electrònic fotosintètic no cíclic i cíclic El flux d'electrons descrit com a l'esquema en Z, des de l'aigua fins al NADP+, es coneix com a transport d'electrons fotosintètic no cíclic. El balanç del transport fotosintètic no cíclic és el següent: H O + NADP+ + ADP + Pi -> ½ O2 + NADPH + H+ + ATP + H2O Els H de l'aigua acaben en el NADPH + H+ , l'oxigen es desprèn i se sintetitza ATP.
De vegades, la cèl·lula necessita ATP, però no NADPH, llavors recorre al transport d'electrons fotosintètic cíclic: 13 - En el transport cíclic, només intervé al PSI i els electrons hi retornen a través d'un flux cíclic: de la ferrodoxina, retornen a la PQ i, a través de la cadena central, tornen al PSI. - En el pas dels electrons a través de la cadena central de transportadors d'electrons s'allibera energia, utilitzada per a bombar H+ a l'interior del tilacoide; el gradient electroquímic generat activa l'ATPasa, en retornar els H+ a l'estroma a través d'aquest estroma. - No es produeix NADPH ni O2 tan sols ATP.
Fase fosca de la fotosíntesi: cicle de Calvin El cicle de Calvin s'inicia a l'estroma del cloroplast i continua al hialoplasma. No necessita llum, però sí els productes de la fase lluminosa. Té 3 etapes: 1. Fixació del CO2: carboxilació, el CO2 es fixa amb la RUBISCO, enzim més important a la natura. 2. Reducció del carboni, requereix ATP i poder reductor NADPH generats a la fase lumínica. 3. Regeneració de la ribulosa…també cal energia. 14 15 Factors que influeixen en la fotosíntesi En la fotosíntesi influeixen: - Factors interns de la pròpia planta, com el contingut de clorofil·la o la duració del pigment a les fulles.
- Factors externs com la concentació de CO2, la temperatura, la intensitat de llum, l'abundància d'aigua i la concentració de O2. A baixes intensitats lumíniques, un augment d'aquesta comporta una major tassa fotosintètica. Superant l'òptim, pot arribar a la saturació i, fins i tot a la deterioració de la clorofil·la per fotooxidació, baixant la intensitat de la fotosíntesi. El màxim d'intensitat varia segons les espècies: Espècies esciòfiles: adaptades a baixes intensitats de llum, plantes d'ombres. Espècies heliòfiles: necessiten intensitats de llum elevades, plantes de sol.
Normalment, un augment de temperatura, implica la velocitat de les reaccions químiques, però hi ha un màxim on es produeix la desnaturalització dels enzims implicats. La temperatura òptima varia segons l'espècie a unes altres. 16 Zones alpines: òptims pròxims als 0 ºC. Clima tropical: òptims 40 ªC. Amb intensitats de llum alta, es produeix suficient ATP i NADPH en fase lumínica, el rendiment està condicionat a la velocitat que la Rubisco fixa el CO2, que actua com a substrat de l'enzim. Quan la Rubisco està saturada, l'enzim aconsegueix el màxim de velocitat. Té tots els centres actius ocupats. L'oxigen actua competeix amb el CO2 com a substrat de la Rubisco.
Si la concetració és alta, s'activa FOTORESPIRACIÓ. La rubisco capta l'oxigen. Així que si hi ha molt oxigen, suposa un menor rendiment de la fotosíntesi. 17 La disponibilitat d'aigua influeix en l'obertura dels estomes, així doncs en la difusió de l'oxigen i el CO2. Si hi ha escassetat d'aigua, els estomes es tanquen per a evitar pèrdues. En aquest cas, baixa el CO2 i l'oxigen s'acumula a l'interior de la fulla i activa la fotorespiració, i disminueix el rendiment fotodintètic. QUIMIOSÍNTESI Existeixen: - Bacteris del nitrogen: oxidació d'amoni a nitrat. - Bacteris del ferro: oxiden compostos ferrosos a fèrrics. - Bacteris de l'hidrogen: utilitzen hidrogen molecular i produeixen metà.
18 - Bacteris incolors del sofre: utilitzen l'acid sulfídric. ANABOLISME HETERÒTROF Font carboni: compostos orgàniques. Gluconeogènesi: Es porta a terme quan la cèl·lula no disposa de la glucosa que necessita. Comparteix la major part de les reaccions amb la gucòlisi, tot i que els enzims no són els mateixos. Glucogenogènesi: La síntesi té lloc en el citoplasma dels hepatòcits i en les cèl·lules del múscul esquelètic. Lipogènesi: 19 Biosíntesi d'aminoàcids 20