El Catabolisme: Processos i Vies Metabòliques

I 96 flashcards i 64 preguntes més al document.

Text del document

1 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. Unitat 2- Catabolisme COMENÇA PENSANT Iniciem una unitat sobre el metabolisme, al llarg de qual aprendràs com acumulem i utilitzem l'energia, així com els mecanismes i els processos cel·lulars que hi intervenen. Abans de començar, és interessant que intentis respondre aquestes qüestions: A partir dels teus coneixements en biologia, explica amb les teves paraules què creus que és el metabolisme. En què es diferencia el metabolisme aeròbic i el metabolisme anaeròbic? Quines estructures cel·lulars intervenen en l'obtenció d'energia? Quina diferencia hi ha entre la glucosa i el glicogen?

En què s'assemblen i en que es diferencies un triglicèrid i un àcid gras? 1. El Catabolisme 2 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. Quina és la importància biològica de l'ATP? Amb la digestió i l'absorció al tub digestiu, incorporem matèria i energia a partir del que ingerim. Com s'anomenen aquests processos de síntesi? La major part de processos que fan les cèl·lules necessiten energia per poder-se dur a terme. Les cèl·lules han d'estar produint ATP contínuament i, per això, han d'oxidar molècules orgàniques, sobretot glucosa i àcids grassos.

La manera més eficient d'oxidar aquestes molècules és l'anomenada respiració cel·lular, en que utilitzen oxigen per convertir-les en diòxid de carboni i aigua. Una alternativa molt menys rendible, que no necessita oxigen, és la fermentació, a partir de la qual es converteixen en unes altres molècules orgàniques més simples, com l'àcid làctic. Els primers passos en l'oxidació de la glucosa es fan en el citosol, l'espai fluid dels citoplasma que es troba entre els diferents orgànuls. Aquest procés és anaeròbic ( es pot dur a terme en absència d'oxigen) i pot funcionar independentment si acaba produint àcid làctic.

En aquest cas es parla de fermentació làctica, un procés relativament ràpid, però que obté poca energia. Els enteròcits la utilitzen per obtenir l'energia necessària per absorbir els nutrients. Les cèl·lules del fetge i del cor, en canvi, obtenen la major part d'energia amb la respiració cel·lular. Les reserves energètiques del múscul El múscul esquelètic degrada diferents substrats per obtenir l'energia química (ATP) que necessita. Quan treballa intensament, el múscul utilitza fosfat de creatina (fosfocreatina) , però la reserva s'exhaureix al cap de pocs segons.

En fer esforços més prolongats, pot utilitzar de manera preferent dos tipus de substrats: la glucosa ( o la seva forma emmagatzemen el glicogen) i els àcids grassos. La glucosa pot procedir de la sang o del glicogen del mateix múscul. Si prové de la sang, es pot haver obtingut a partir dels aliments digerits o haver estat sintetitzada pel fetge a partir d'altres biomolècules i emmagatzemada en forma de glicogen. La Fosfocreatina, N-Metil-N-(fosfonocarbamimidoil)glicina també coneguda com a PCr (Pcr), és una creatina fosforilada, una molècula que serveix de reserva ràpidament mobilitzable de fosfats d'alta energia en músculs esquelètics i cervell.

Química La fosfocretina es forma de parts de tres aminoàcids: Arginina (Arg), Glicina (Gly), i Metionina (Met). Pot ser sintetitzada per la formació de guanidinoacetat des de Arg i Gly (en el ronyó) seguida per metilació (es requereix S-adenosilmetionina (SAM)) a creatina (en el fetge), i fosforilació per creatina kinasa (es requereix ATP) a fosfocreatina (en el múscul); catabolisme: deshidratació per formar creatina. La fosfocreatina se sintetitza en el fetge i es transporta a les cèl·lules musculars via el corrent sanguini per emmagatzematge.

Funció Aquesta molècula és utilitzada per generar, de forma anaeròbica, ATP a partir de l 'ADP, formant creatinina per a uns 15 segons d'un esforç intens. Fa això en donar un grup fosfat, i aquesta 3 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. reacció és catalitzada per l'enzim creatina quinasa (la presència de creatina quinasa en el plasma és un indicador de teixit muscular danyat i s'utilitza entre altres coses per al diagnòstic d'un infart del miocardi). Aquesta reacció és reversible i per tant actua com un amortidor temporal de la concentració d' ATP.

En altres paraules, la fosfocreatina és part d'un parell de reaccions; l'energia que s'allibera en una reacció és usada per regenerar un altre compost, l'ATP. Inversament, un excés d'ATP pot ser usat durant un període de baix esforç per convertir la creatina a fosfocreatina. La fosfocreatina juga un paper particularment important en teixits que tenen una alta i fluctuant demanda d'energia com el cervell o el múscul, actuant com a element de transport d'energia des dels mitocondris a la zona de les cèl·lules on es necessita l'ATP i de magatzem temporal d'energia (buffer) per a usos intensos i curts.

1.1 Biomolècules orgàniques amb funció energètica Les biomolècules que més importància tenen com a font d'energia són els glúcids i els lípids. Els glúcids són necessaris perquè són les biomolècules que més fàcilment degrada la cèl·lula per obtenir energia i no generen productes tòxics, com passa amb les proteïnes i, sovint amb els lípids. Els glúcids com a font d'energia: El glúcid més important és el monosacàrid glucosa. La unió de dues glucoses amb enllaç de tipus α dóna lloc al disacàrid maltosa i la unió de centenars de maltoses dóna lloc als polisacàrids amilosa i amilopectina (midó) en els vegetals, i glicogen en els animals.

La unió de dues glucoses amb enllaç de tipus β (1 4) dóna lloc al disacàrid cel·lobiosa i la unió de centenars de cel·lobioses dóna lloc al polisacàrid cel·lulosa. Però com la majoria dels animals no tenen l'enzim per degradar la cel·lulosa no poden aprofitar-la com a font d'energia. Els lípids com a font d'energia: Els animals i les plantes usen els lípids com a reserva energètica. Els que més s'usen són els acilglicèrids. La raó per la que els lípids donen més energia que glúcids i proteïnes és la relació d'oxígens. Els lípids tenen menys oxígens i per això el nombre d'enllaços que s'han de trencar per formar CO2 és més gran, i per tant en oxidar-los s'allibera més energia.

1.2 El catabolisme és la fase degradativa del metabolisme amb la finalitat d'obtenir energia. En el catabolisme les molècules orgàniques són transformades en d'altres de més senzilles, que han d'intervenir en altres reaccions metabòliques fins a transformar-se en els productes finals del catabolisme, que generalment són expulsats de la cèl·lula, els anomenats productes d'excreció (CO2, NH3, urea, etc.). L ' energia alliberada en el catabolisme s'emmagatzema en els enllaços rics en energia de l''ATP i, posteriorment, es podrà utilitzar per a reaccions de síntesis orgàniques o per dur a terme activitats cel·lulars.

Les reaccions d'oxidació-reducció comporten la transferència d'electrons d'una molècula a l'altra. La molècula que perd electrons s'oxida; i la que els guanya es redueix. Generalment els electrons van acompanyats de protons, fet que comporta deshidrogenacions o hidrogenacions. 4 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. El catabolisme és semblant en els organismes autòtrofs i en els heteròtrofs. Les reaccions del catabolisme són reaccions d'oxidació, es a dir, de pèrdua d'electrons. Atès que la matèria que experimenta el catabolisme és matèria orgànica, constituïda bàsicament per carboni i hidrogen, la manera d'oxidar-se és per : a) Deshidrogenació. Una molècula s'oxida quan perd àtoms d ' hidrogen.

Vegem un exemple de com es pot produir aquesta deshidrogenació en una molècula orgànica d'esquelet carbonat, en què s'estableix un doble enllaç entre dos carbonis. b) Oxigenació. Una molècula s'oxida quan s'uneix a àtoms d'oxigen. 1.3 La producció d'energia en el catabolisme Les reaccions catabòliques alliberen energia perquè l'energia lliure de les substancies inicials (reactius) és més gran que l'energia lliure de les molècules resultants (productes). L'energia lliure d'una substancia, que se simbolitza amb la lletra G, és més gran com més energia acumulada hi hagi en els enllaços químics interns de les molècules i com menor sigui el grau de desordre d'aquestes molècules.

Si, com passa en moltes reaccions catabòliques, una molècula gran s'escindeix en diverses molècules mes petites, és perquè experimenta la ruptura d'alguns enllaços interns i l'energia que contenen s'allibera a l'exterior i, per tant, la molècula resultant conté menys anergia. A més, com que les molècules resultants son més petites, es passa a un grau mes gran de desordre de la matèria. Per aquestes dues causes, en aquestes vies catabòliques es passa d'una substancia inicial a d'altres que tenen menys energia lliure. La variació d'energia lliure continguda en les molècules és, doncs, negativa ( G = —) i aquesta és l'energia que la reacció allibera a l'exterior.

En altres reaccions catabòliques, el nombre de molècules inicials es el mateix que el nombre de molècules resultants, i el nombre d'enllaços interns també es manté. En aquestes reaccions, l'energia s'allibera perquè els electrons que formen els enllaços de les molècules inicials (els de color vermell) perden energia lliure quan passen a formar els enllaços de les molècules finals (els de color groc). El motiu pel qual uns enllaços contenen menys energia que d'altres es perquè els electrons que els formen passen a estar mes a prop dels nuclis atòmics.

Com mes a prop del nucli esta un electró menys energia te i, per això, menys capacitat te de passar a un altre àtom i d'iniciar així una reacció química. Cal recordar que els enllaços 5 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. químics covalents són els constituïts per electrons que giren al voltant de dos nuclis atòmics, els anomenats electrons compartits. El motiu pel qual un àtom cedeix electrons a un segon àtom o passa a estar compartit amb ell és perquè el segon àtom l'atrau amb mes força, és a dir, és més electronegatiu.

Cal recordar que els elements electronegatius son els que en l'últim orbital tenen set, sis o cinc electrons i, per tant, nomes necessiten un, dos o tres electrons respectivament per completar-lo. Per això atrauen amb molta forca, en grau decreixent, els electrons d'altres àtoms. Un exemple molt il·lustrador és el del catabolisme respiratori de la glucosa (C6H22O6) a l'interior de les cèl·lules. La reacció es la següent.

En la glucosa, els electrons que formen els enllaços entre els carbonis estan compartits igual, i els que formen els enllaços entre els carbonis i els hidrògens també, ja que tots dos àtoms tenen en l'últim orbital la meitat dels electrons que necessiten per completar- lo, quatre el carboni i un hidrogen. En presencia d'oxigen i dels enzims adequats, la glucosa reacciona amb l'oxigen per la seva gran avidesa d'electrons o electronegativitat. Això es degut al fet que, com que té sis electrons en l'últim orbital, nomes en necessita dos per completar-lo.

Un àtom d'oxigen atrau cap a ell dos electrons d'un àtom de carboni i forma un doble enllaç amb l'àtom; i un altre àtom d'oxigen fa el mateix, i per tant es forma CO2. Igualment, un altre àtom d'oxigen capta l'electró d'un àtom d'hidrogen i l'electró d'un altre àtom d'hidrogen, per aconseguir els dos electrons que necessita, i així es forma aigua (H2O). Com que tots aquests electrons han passat a estar compartits amb un àtom, l'oxigen, que els atrau amb molta força cap al nucli, han passat a una situació de menys energia, com una pilota, que té menys energia potencial com més baixa està.

La pèrdua d'energia de tots els electrons de la glucosa quan es ressituen en les molècules de CO2 i H20 és l'energia que la glucosa allibera a l'exterior quan reacciona amb l'oxigen. 1.4 El catabolisme és: Oxidació - reducció Un àtom tan sols pot perdre electrons (oxidació) si hi ha un àtom que els accepta (reducció) Per això aquests processos s'anomenen reaccions d'oxidació - reducció ("redox"). Les reaccions catabòliques són reaccions redox, en les quals uns compostos s'oxiden i els altres es redueixen. Quan una molècula perd hidrògens (deshidrogenació), també s'oxida, ja que un àtom 6 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. d'hidrogen es compon d'un electró i un protó.

De manera equivalent, una molècula es redueix quan guanya àtoms d'hidrogen. A la matèria orgànica, els àtoms d'hidrogen despresos en les reaccions d'oxidació reducció seran captats per unes molècules anomenadestransportadors d'hidrògens, com són: - NAD+ (nicotinamida-adenina- dinucleòtid) - NADP+(nicotinamida-adenina- dinucleòtid fosfat) - FAD (Flavina-adenina- dinucleòtid) I aquests traspassen els hidrògens la molècula acceptora final d'hidrogen, que es redueix.

En les reaccions redox, freqüentment els protons (H+) i els electrons (e-) van separats; aquests darrers, abans d'arribar a la molècula acceptora dels d'electrons, són captats pels anomenats transportadors d'electrons, que són els citocroms. El pas dels electrons d'un citocrom a un altre comporta una disminució de nivell energètic de l'electró i l'alliberament d'una energia que s'utilitza per fosforilar l'ADP i formar noves molècules d'ATP. Si es tracta d'una oxidació per oxigenació, hi ha d'haver una substància donadora d'àtoms d'oxigen.

1.5 L'alliberament gradual de I 'energia al catabolisme Si es compara la reacció química de la respiració de la glucosa amb la reacció de combustió de la matèria orgànica, per exemple de la fusta, s'observa una gran diferència: en la combustió l'energia s'allibera de manera sobtada i en forma de calor, mentre que en el catabolisme l'energia s'allibera gradualment i en forma d'energia química, és a dir, energia emmagatzemada en enllaços de les molècules d'ATP. Sinó es provocaria la mort de l'organisme. L'alliberament gradual de l'energia es possible gràcies a les següents característiques: - Reaccions successives.

En el catabolisme les reaccions ocorren una després de l'altre i cada una es catalitza per un enzim diferent. - Transport d'hidrògens. Els electrons de la glucosa no passen directament a l'oxigen sinó que, en les primeres etapes del catabolisme van formant àtoms d'hidrogen (o protons) que passen a un coenzim, generalment NAD+, que actua com a transportador d'hidrògens. 7 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. - Cadena transportadora d'electrons.

EI coenzim NADH veurem que no passa els electrons directament a l'oxigen sinó que els passa a una cadena transportadora d'electrons i finalment els electrons són transferits a un àtom d'oxigen (O) als que s'uneixen els protons lliures (H+ ) i es forma aigua (H20). L'energia que s'allibera s'utilitza per a formar ATP. 1.6 Tipus de catabolisme Segons la naturalesa de la substància que es redueix, es a dir, que accepta els hidrògens, es distingeixen dos tipus de catabolisme: a) Respiració: Intervé la cadena transportadora d'electrons.

Permet transferir electrons procedents de la matèria orgànica inicial a un acceptor final que és un compost inorgànic (que es redueix), que pot ser: - Respiració aeròbica: O2 H2O - Respiració anaeròbia: NO3 - NO2 - , SO4 2- SO3 2- , etc. b) Fermentació: NO Intervé la cadena transportadora d'electrons. La molècula que es redueix és sempre orgànica. En absència d'oxigen, no es pot obtenir energia de l'oxidació de l'AcCoA ( i per tant, ni de l'oxidació de lípids ni de glúcids). En aquests casos, només es pot utilitzar una altra molècula diferent de l'oxigen com a acceptora final d'electrons. Fermentació. Les reaccions catabòliques per respiració són diferents segons la naturalesa dels substrats.

D'aquesta manera podem distingir la respiració dels glúcids, la dels lípids, la de les proteïnes i la dels àcids nucleics. Les vies més importants són les dels glúcids i les dels lípids, que són combustibles naturals dels organismes. Les proteïnes i els àcids nucleics tenen altres funcions i només en casos extrems o especials s'utilitzen com a font d'energia. Il·lustració 1 Catabolisme de la glucosa en una cèl·lula eucariota . A partir del pirúvic es pot dur a terme la respiració o la fermentació, segons que hi hagi oxigen o no. 2. El catabolisme per respiració 8 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx.

Gràcies al sistema digestiu els polisacàrids queden reduïts a monosacàrids, com ara la glucosa, la fructosa i la galactosa. La glucosa és el monosacàrid més abundant, per la qual cosa el seu procés degradatiu pot servir d'exemple del catabolisme respiratori dels glúcids. 2.1 Catabolisme dels polisacàrids. Primera Etapa: des del glicogen a la glucosa-6P El glicogen és un polisacàrid format per monòmers de glucosa que s'emmagatzema al teixit hepàtic (5% de la massa del fetge) i als músculs (0,5% de la massa muscular). En esforços prolongats cada múscul utilitza el seu glicogen.

El procés d'hidròlisi del glicogen, que transforma el polisacàrid (glicogen) en monosacàrids (glucosa) fosforilats utilitzables per la cèl·lula, s'anomena glicogenòlisi. El glicogen és un polímer de glucoses unides per enllaços α (1 4) i α (1 6). L'acció conjunta de l'enzim glicogen- fosforilasa i l'enzim desramificant trenca aquest enllaços i allibera molècules de glucosa-1-P. La glucosa-1-P, el producte de la reacció s'ha de convertir en glucosa -6-P mitjançant un altre enzim, la fosfoglucomutasa, i d'aquesta manera la glucosa-6-P entra directament a la glucòlisis.

En la degradació total per respiració de la glucosa i fins a l'aprofitament complet de tota l'energia alliberada, s'hi distingeixen dues fases: la glicòlisi i la respiració. En la respiració es distingeixen dos processos, el cicle de Krebs (matriu mitocondrial) i el transport d'electrons en la cadena respiratòria ( membrana de les crestes mitocondrials). 2.2 LA GLICÒLISI. Segona Etapa: des de la Glucosa-6P fins al lactat La glicòlisi també s'anomenaria ruta metabòlica d'Embden-Meyerhoff-Parnas en la qual la glucosa s'escindeix en dues molècules de piruvat amb la producció de dues molècules d'ATP. La glicòlisi es fa al citoplasma cel·lular i la duen a terme tots els organismes.

La diferència està en que a la respiració les procariotes també fan el CK al citoplasma i la cadena respiratòria a la membrana plasmàtica. Les molècules de piruvat podran després ser degradats per processos de respiració (aerobis o anaerobis) o per processos de fermentació. Així doncs la glucòlisi és una ruta comuna per ambdós tipus de processos. Aquesta primera fase del catabolisme glicídic és totalment anaeròbia, ja que no necessita la presencia d'oxigen.

La glicòlisi es pot subdividir en dues fases: A, la primera, fase d'activació, hi ha despesa energètica (consum d'ATP) i a la B, segona, fase on es crea energia (fabricació d'ATP) DESTÍ DEL PIRUVAT RECORDEU que la glucòlisi és una via comuna a diferents rutes metabòliques. El piruvat format pot seguir després dues vies: En condicions aeròbies: Respiració. En condicions anaeròbies: Fermentació 9 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. - Fase A o d'activació amb consum d'energia. 1. La glucosa, en entrar a la cèl·lula, es fosforil·la a glucosa-6-fosfat gracies al consum d'una molècula d'ATP.

Es una reacció irreversible en la qual la glucosa s'uneix a un grup fosfat per a formar glucosa-6-fosfat. Aquest pas esta controlat per l'hexoquinasa i és un punt clau en la regulació de la glucòlisi. Aquesta fosforilació activa la glucosa i impedeix que surti de la cèl·lula. 2. La glucosa-6-fosfat s'isomeritza a fructosa-6-fosfat per la Isomerasa. 3. La fructosa-6-fosfat es fosforil·la a fructosa-1,6- difosfat gracies a una altra molècula d' ATP. Aquesta reacció és irreversible, està catalitzada per la fosfofructoquinasa i és la més ben regulada de la ruta glicolítica i determinada el ritme de la glucòlisi. 4.

La fructosa-1,6-difosfat es trenca en dues molècules; la gliceraldehid-3-fosfat i la dihidroxiacetona-fosfat, totes dues de tres carbonis cadascuna. Regulada per una fructosa difosfat aldolasa. 5. La dihidroxiacetona-fosfat es pot isomeritzar a gliceraldehid-3-fosfat de manera que a partir del pas 6, els productes de la glucòlisi s'han de multiplicar per dos. Per una isomerasa. - Fase B o de generació d'energia 6. EI gliceraldehid-3-fosfat es fosforil·la gràcies a un grup fosfòric inorgànic i s'oxida, i així es forma 1,3-difosfoglicèric. Els hidrògens perduts van a parar al coenzim NAD+ , que es redueix a NADH + H+ . Es una reacció reversible regulada per una deshidrogenasa. 7.

L'1,3-difosfoglicèric es desfosforil·la, i així es transforma en àcid 3-fosfoglicèric i es forma una molècula d' ATP. Es una reacció reversible regulada per una quinasa. 8. Isomerització del 3-fosfoglicerat amb el pas d'un grup fosfòric al carboni 2, i d'aquesta manera s'obté l'acid-2-fosfoglicèric. Regulada per una mutasa. 9. Deshidratació de l'àcid-2-fosfoglicèric, amb pèrdua d'una molècula d'aigua, i formació de àcid-2-fosfoenolpiruvic. Regulat per una enolasa. 10. Desfosforilació de l'àcid-2-fosfoenolpiruvic amb obtenció, com a producte final, de l'àcid pirúvic i una molècula d' ATP. Està regulada per la piruvat quinasa i és un dels punts de control de la glicòlisi.

El pirúvic format és en realitat un metabòlit intermedi i el seu destí final varia segons el tipus de cèl·lula o la disponibilitat d'oxigen o no i podrà seguir par una via aeròbia o anaeròbia: - En condicions d'oxigenació normal, la majoria dels casos, el piruvat passarà a acetil-CoA , que entrarà en el cicle de Krebs (o cicle dels àcids tricarboxílics). Es la via aeròbia. Dóna de 36 a 38 ATP. Fibres vermelles del múscul. Exercici aeròbic. 10 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. - En absència d'oxigen el piruvat entra en les rutes fermentatives (vies anaeròbies) que són vies metabòliques molt diferents segons als tipus d'éssers vius. Les fibres blanques del múscul en humans. L'exercici anaeròbic.

Hi arriba poc oxigen, i ni el piruvat ni el NADH poden ser transformats al mitocondri, de manera que s'acumulen al citosol. Així, el piruvat passa a lactat i transforma el NADH en NAD+ . Aquest NAD+ es torna a reduir a NADH, però el lactat es va acumulant. EI balanç global de la glicòlisi A partir de la molècula de glucosa (6 carbonis) s'han format 2 molècules de piruvat (de 3 carbonis cadascuna) , 2 molècules de NAD reduïdes, 2 ATP i 2 molècules d'aigua. Incorporació d'altres monosacàrids a la glucòlisi Nota: La nomenclatura dels intermediaris metabòlics té diferents possibilitats, es pot dir per exemple fosfat de glucosa, o glucosa-fosfat, que és menys correcte però més emprat.

Per altra part, amb la finalitat d'observar millor els canvis que es produeixen en cada reacció, no emprem les fórmules cíclades (projecció de Haworth) ni es representen els àcids orgànics dissociats, malgrat convé precisar que, en realitat, en el medi cel·lular, les hexoses estan cíclades, i els àcids, dissociats. 11 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. Fig.1 Incorporació dels polisacàrids, disacàrids i altres monosacàrids a la glicòlisi 12 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. 2.2 LA RESPIRACIO CEL.LULAR.

Via aeròbia Consideracions generals El terme respiració s'empra generalment per expressar la funció de captació d'oxigen de I 'aire o de I 'aigua i la eliminació del CO2 per part de l'organisme. D'aquesta manera es proporciona O2 a les cèl·lules i s'elimina el CO2. Per que necessiten oxigen les cèl·lules? La resposta rau en que la respiració serveix per a obtenir energia de les molècules orgàniques, mitjançant la combustió, és a dir la transformació amb O2 fins a la oxidació a C02 i H20 La respiració cel·lular és un procés metabòlic, un conjunt de transformacions químiques o seqüencia de reaccions, que té com a funció proporcionar energia per al treball cel·lular i per a la biosíntesi.

És una ruta catabòlica aeròbia que fan les cèl·lules eucariotes, tant animals com vegetals, i molts protoctists. En les eucariotes, les etapes centrals del procés es desenvolupen als mitocondris. En els protoctists es desenvolupen al citosol, malgrat els enzims més importants es troben a la membrana cel·lular. Les molècules orgàniques que s'oxiden per la via aeròbia cedeixen electrons a l'oxigen molecular a través dels intermediaris, com el NADH i el FADH2 . Durant aquesta cessió es produeix ATP . Els productes finals són H20 i C02. Els principal combustibles emprats són els glúcids, especialment la glucosa, i els àcids grassos.

Altres molècules com els aminoàcids també son catabolitzats per respiració. El piruvat obtingut en la glicòlisi, per poder ser oxidat per respiració ha d'entrar a l'interior dels mitocondris. Com que l'àcid pirúvic està ionitzat, no pot travessar la membrana per difusió, sinó que ha de ser introduït per una proteïna per transport actiu. La respiració cel·lular es pot dividir en tres fases: Fase 1: formació d'acetil CoA Hi ha oxidació parcial de l'acetat, formació acetil-CoA. Els esquelets hidrocarbonats de la majoria de molècules orgàniques s'escindeixen i es transformen en un compost de dos carbonis, l'acetat.

(L'anió acetat, [C2H3O2]- , és un carboxilat i és la base conjugada de l'àcid acètic. L'ió acetat està format per la desprotonació de l'àcid acètic: CH3COOH CH3COO + H+ ). A la cèl·lula eucariota l'àcid pirúvic produït en la glicòlisi, perquè pugui ser oxidat per respiració, ha d'entrar a l'interior dels mitocondris travessant-ne la doble membrana. I per fer-ho li cal un transport actiu. Una vegada dins, per incorporar-se al CK, sofreix un complicat procés d'oxidació i descarboxilació (pèrdua d'un àtom de carboni) en el qual intervenen uns quants enzims i coenzims (l'anomenat sistema piruvatdeshidrogenasa), i es transforma en acetil-S-CoA.

Un cop a dins del mitocondri, el piruvat, per incorporar-se al CK es descarboxila oxidativament per formar acetil-coA i CO2 , en una reacció catalitzada pel complex multienzimàtic piruvat deshidrogenasa. És irreversible i dirigeix el piruvat cap a la seva oxidació final en el CK. L'acetat és activat pel coenzim A mitjançant enllaç tioèster d'alta energia. 13 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. Tant els àcids grassos com la glucosa i alguns aminoàcids formaran aquest intermediari metabòlic, l'acetil-coenzim A o acetil CoA, que és un punt de connexió de les rutes catabòliques en que les molècules orgàniques s'han oxidat parcialment.

L'acetil CoA és un intermediari central en el metabolisme. Les rutes de degradació i de síntesis de composts com monosacàrids, els àcids grassos i alguns aminoàcids, es troben en l'acetil CoA. En aquest procés podem distingir els canvis químics següents: 1. Descarboxilació o pèrdua del grup carboxil que surt en forma de CO2 2. Deshidrogenació, o pèrdua de dos hidrògens que són acceptats per un NAD+ que es redueix a NADH+ H+ 3. Unió de l'ió acetat resultant a un coenzim A, així es forma un acetilcoenzim A que ja es pot incorporar al CK.

Fase 2: cicle de Krebs o de l'àcid cítric A causa de l'elevada estabilitat del grup acetil no és possible la seva oxidació directa en la cèl·lula i per això s'oxida mitjançant una ruta cíclica: el CK. L'acetil coA es condensarà amb Fumarat 14 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. un àcid de 4 carbonis per a formar àcid cítric, de 6 carbonis. Al llarg d'aquesta ruta circular, s'oxiden intermediaris fins a formar 2 molècules de CO2, i 8 hidrògens (4 parells d'electrons) transportats per NAD+ i FAD. En la ruta entra l'àcid acètic (2 carbonis) en forma oxidada. EI cicle, per tant, catalitza la descomposició d'una molècula d'àcid acètic en cada volta.

És la ruta oxidativa final de la glucosa i de la majoria dels combustibles metabòlics. El cicle de Krebs es desenvolupa a la matriu del mitocondri. És una via metabòlica en la qual s'oxiden els grups acetil (CH3-COO- ), aportats per acetilcoA, són degradats completament a CO2. Els dos carbonis donen lloc a dues molècules de CO2, els hidrògens són captats pels coenzims NAD+ i FAD, que passen a les seves formes reduïdes NADH + H+ i FADH2, respectivament, i l'energia alliberada s'inverteix a sintetitzar una molècula de GTP que equival a una molècula d'ATP.

Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O 2CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + CoA-SH + 3 H+ El desenvolupament del cicle passa per les següents 8 etapes: 1. L'acetil-CoA (2 C) transfereix el grup acetil a l'oxalacetat (4 C) per formar citrat (6 C). 2. El citrat s'isomeritza a isocitrat. (6C) 3. L'isocitrat es descarboxila i s'oxida, de manera que perd hidrògens, amb la qual cosa es forma α-cetoglutàrat (5 C). 4. L'α -cetoglutàrat es descarboxila i deshidrogena, i així es forma succinil-CoA (4 C). Per a la reacció es necessita l'ajut del CoA. 5.

El succinil-CoA perd el CoA i es transforma en succinat (4C), i així s'allibera una energia que és suficient per fosforilar una molècula de GPD i formar-ne una GTP. 6. El succinat s'oxida a fumarat.(4C) 7. El fumarat s'hidrata i es transforma en malat.(4C) 8. El malalt s'oxida i es transforma en oxalacetat (4C), amb la qual cosa es tanca el cicle.

La reacció global del sistema piruvatdeshidrogenasa i del cicle de Krebs és (sense posar el CoA) té un rendiment molt baix i faltarà la cadena respiratòria per realment guanyar energia: CH3—CO—COOH + 2 H2O + 4 NAD+ + FAD + GDP + Pi —> 3CO2+ 4NADH + 4H+ + FADH2 + GTP Com que en el cicle de Krebs penetra un compost de dos C (l'acetil-CoA) i es produeixen dues descarboxilacions, la molècula queda totalment degradada. A més, com que en la glicòlisi es poden formar dues molècules d'àcid pirúvic, per a la degradació total d'una molècula de glucosa calen dues voltes del cicle de Krebs.

Aparentment, en els reactius falten dos àtoms, un H i un O; això és degut al fet que estan continguts al GDP i al Pi, que quan s'uneixen per formar GTP els alliberen i apareixen formant productes. Resumidament podem dir que el cicle de Krebs desenvolupa quatre funcions: 1. Oxidació de l'acetil CoA, procedent del piruvat, fins a CO2 2. Obtenció de poder reductor NADH i FADH2 dels que més endavant s'obtindrà energia en forma d'ATP, en la fosforilació oxidativa. De manera que entre el CK i la cadena respiratòria hi ha una interdependència respecte dels coenzims NAD+ i FAD. 15 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. 3.

Obtenció d'energia en forma de GTP, per fosforilació a nivell de substrat, que es convertible en ATP. 4. Obtenció de precursors metabòlics per a la síntesi de substàncies orgàniques. El cicle de Krebs és de naturalesa anfibòlica, es a dir, que a més de ser el centre dels processos catabòlics, algunes molècules del cicle serveixen com a punt de partida cap a rutes anabòliques o de biosíntesi. Regulació del cicle de Krebs. La regulació del procés respiratori està determinat per la quantitat d'energia que necessita la cèl·lula. En el cas del cicle de Krebs les reaccions (1), (3) i (4) estan catalitzades per enzims al·lostèrics, que són inhibits per l'ATP i activats per l'ADP.

Aquest mecanismes controlen que es produeixin en cada moment els metabòlits necessaris i només els necessaris. Fase 3: cadena transportadora d'electrons i fosforilació oxidativa Els intermediaris NADH i FADH2 cedeixen electrons a la cadena de transport en la que una sèrie de proteïnes transfereixen electrons a I'O2. Acoblada a aquesta cadena es forma ATP a partir d'ADP + Pi. La fosforilació oxidativa és el principal mitjà de regeneració d'ATP en els organismes heteròtrofs. En aquest procés l'ATP és regenera a partir d'ADP + Pi i aquest procés està acoblat al transportador d'electrons des del NADH fins a l'O2.

El balanç energètic de la glicòlisi i del cicle de Krebs és bastant reduït pel que fa a molècules energètiques formades (2 ATP + 2 GTP), però en aquestes dues fases del catabolisme s'ha reduït unes quantes molècules de coenzims com ara els 10 NAD+ i els 2 FAD, que s'han convertit en 10 NADH + H+ ( dos de la glicòlisi, dos de la piruvat deshidrogenasa, i sis del cicle) i 2 FADH2 ( del cicle). L'oxidació del NADH i el FADH2 produirà la majoria de l'ATP generat per l'oxidació de la glucosa. L'anomenat transport d'electrons en la cadena respiratòria és la darrera etapa de la respiració i es dóna a la membrana interna dels mitocondris.

Té com a finalitat l'oxidació dels coenzims reduïts (NADH + H+ i FADH2) i consisteix en una cadena de molècules orgàniques, que es redueixen i s'oxiden, a mesura que es van traspassant les unes a les altres els protons i els electrons procedents del NADH i del FADH2. Fig. 1 Esquema de la cadena respiratòria. El transport d'e- es possible perquè cada transportador té un potencial de reducció( tendència a donar e-) inferior a l'anterior i superior al posterior. El potencial de reducció o potencial redox s'expressa en vols i en valors més negatius quan més grans són. 16 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx.

Aquesta sèrie de molècules, bàsicament proteiques, que es redueixen i s'oxiden s'anomena cadena transportadora d'electrons o cadena respiratòria, en la qual es distingeixen unes molècules que s'ocupen de transportar simultàniament electrons i protons (H+ ). Localització En les cèl·lules eucariotes els integrants de la cadena transportadora es troben dins o sobre la membrana mitocondrial interna que està plegada formant crestes que incrementen enormement la superfície de membrana. S'agrupen en cinc complexes que formen part de la membrana interna mitocondrial.

(En les cèl·lules procariotes es troben a la membrana plasmàtica.) Així doncs, els transportadors de la cadena respiratòria es troben en el mateix orgànul on es duu a terme el cicle de Krebs, en què hi ha una dependència mútua de substrats entre aquest i la cadena respiratòria, ja que aquesta darrera no es pot iniciar sense els coenzims reduïts (NADH + H+ i FADH2) que es produeixen en el cicle de Krebs i aquest no es pot desenvolupar sense els coenzims oxidats (NAD+ i FAD) que es produeixen en la cadena respiratòria.

Transport d'electrons Les proteïnes de la cadena respiratòria s'organitzen en diversos complexos enzimàtics englobats de manera ordenada que es localitzen a la membrana interna mitocondrial. Cada una d'aquestes molècules accepta electrons de la molècula anterior, es a dir, es redueix i després els transfereix a la molècula següent, i per això s'oxida. Això és possible perquè els electrons sempre passen a ocupar en l'àtom següent una posició més pròxima al nucli, és a dir de menor energia. El transit d'electrons d'un complex a un altre té com a conseqüència l'alliberament d'energia, i això fa que els protons (H+ ) siguin bombejats cap a l'espai intermembranós del mitocondri.

Aquest fet genera un gradient electroquímic que pot ser utilitzat per les ATP-sintetases. És el procés de la fosforilació oxidativa. L'acceptor final d'electrons és l'oxigen; per tant, la cadena respiratòria és un procés aeròbic, i es forma aigua. Cada transportador d'electrons accepta electrons de la molècula anterior, és a dir es redueix, i llavors els transfereix al transportador següent, és a dir s'oxida. A cada pas hi ha un sobrant d'energia que s'inverteix en la síntesi d'ATP. Els electrons que entren en la cadena respiratòria procedeixen del NADH i FADH2, que quan els cedeixen, juntament amb els protons (H+) es converteixen en les formes oxidades NAD+ i FAD.

La cadena està formada per sis components, quatre són grans complexes proteics (complex I,II, III i IV) englobats a la membrana, el cinquè és una petita molècula lipídica, la ubiquinona (Q) que és capaç de traslladar-se per la doble capa lipídica i que transporta electrons del complex I i II al III; i el darrer una petita proteïna, el citocrom C que està en la cara interna de la membrana i que comunica el complex III amb el IV. La relació entre ells és la següent: - Complex I. NADH-deshidrogensa. Transfereix electrons a un FMN i després a la coenzim Q - Complex II. Succinat CoQ reductasa.

Complex semblant a l'anterior, rep e- de diferents composts i els transmet a la CoQ 17 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. Entre els complexes I i III es troba una molècula petita, la quinona CoQ, molècula liposoluble que es situa a la zona interna o hidrofòbica de la membrana, el contrari del que passa als complexes I,II i III que es troben inclosos dins tota la membrana. - Complex III. Citocrom b-c1, accepta els electrons de la quinona, i els transfereix al següent complex enzimàtic. Entre els complexes III i IV existeix el citocrom c, que és una proteïna de membrana perifèrica. Actua de transportador entre ambdós complexes.

Els citocroms b i c són proteics amb un grup prostètic hemo (amb un àtom de ferro que actua com a transmissor d'electrons. Fèrric a ferrós). - Complex IV. Citocrom-oxidasa, transfereix els electrons a l'O2 per a formar H2O. Així doncs l'O2 és l'acceptor final d'electrons. - Complex V. ATP-sintetasa actua com a canal de pas de protons des de l'espai intermembranós fins a la matriu mitocondrial. Aquí es genera l'energia per a la formació d'ATP: 3 molècules d'ATP per a cada NADH i 2 per a cada FADH2 18 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. La quimioosmosi En les membranes de la mitocòndria, el complex ATP-sintetasa catalitza la unió entre el fosfat inorgànic i l'ADP.

El model que var explicar aquest procés va ser l'hipòtesi quimiosmòtica de Mitchell (enunciada per Peter Mitchell l'any 1961). Premi Nobel 1978. Segons aquesta teoria, l'energia alliberada s'inverteix a provocar un bombeig de protons (H+) des de la matriu mitocondrial fins a l'espai intermembranal (a partir dels complexes I, III i IV). Això indueix a l'establiment d'un gradient electroquímic, és a dir, origina una diferència de càrrega elèctrica a les dues bandes de la membrana interna i també origina un gradient de pH, menor (més àcid) a l'exterior. Aquest gradient és una situació de desequilibri, que tendeix a recuperar l'equilibri, per això els protons tendeixen a tornar a la matriu.

Quan els protons (H+) tornen a la matriu mitocondrial, ho fan travessant les ATP-sintetasa, i d'aquesta manera els subministren l'energia necessària per a la síntesi d'ATP. 19 El Metabolisme Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. Fosforilació oxidativa Les ATP-sintetases estan formades per dues agrupacions proteiques, la F0, o canal proteic, i la F1, que sintetitza l'ATP. El canal F0 és la única via que permet el retorn dels protons (H+). Aquest pas de protons pel canal F0 provoca indueix la unió de l'ADP a un Pi per a format ATP.

S'ha calculat que, a partir d'un NADH+ + H+ que ingressa a la cadena respiratòria, s'obtenen 3 ATP, mentre que a partir d'un FADH2 tan sols s'obtenen 2 ATP, ja que el FADH2 s'incorpora a la cadena respiratòria en el complex coenzim Q reductasa. Estudis recents indiquen que els complexes I i IV treuen 4 H+ cada un i el complex III en bombeja 2 H+. Per a la síntesi d'un ATP es requereix que tornin a la matriu 3 H+. A més es produeix la despesa d'1 H+ en la sortida de cada ATP del mitocondri. Per això el resultat real seria que el NADH produeix 2,5 ATP i cada FADH2 en produeix 1,5 ATP.

(aquests valors s'han de prendre com a aproximats) Rendiment energètic del catabolisme per respiració de la glucosa A l'hora d'analitzar el rendiment de la respiració d'una molècula de glucosa cal tenir en compte que la glicòlisi es desenvolupa al citoplasma i que la membrana del mitocondri és impermeable a l'entrada de NADH, per això no pot entrar directament sinó que es necessita un sistema d'acoblament, anomenats llançadores, que els traslladen a l'interior del mitocondri. Aquestes llançadores són: a) Llançadora del malonat. Actua per exemple al fetge, al ronyó i al cor. El NADH cedeix hidrogenions a l'oxalat i es forma malat que pot entrar al mitocondri.

En aquest cas, per cada NADH es formen 3 ATP b) Llançadora del glicerofosfat. Actua per exemple al múscul esquelètic i al cervell. Aquesta llançadora passa els electrons directament al complex II, per tant sols es produeixen, per a cada NADH, es formen 2 ATP. 20 Jordi Rabassa Biologia 2n Batx. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6 H2O 38 (ADP +Pi) 38 (ATP + H2O) Els càlculs recents, que se basen en valors més ajustats consideren que es produeixen aproximadament 38 ATP per molècula de glucosa