Metabolisme 1. Introducció al metabolisme. Catabolisme. Anabolisme. Via metabòlica . Reaccions

exergòniques i endergòniques. Catàlisi.

Enzims. Concepte. Estructura. Classificació. Coenzims. Cinètica de les reaccions enzimàtiques:. Vmax. Relació entre la velocitat i la concentració de substrat. Altres factor:: temperatura i pH .Inhibidors

2.Anabolisme: La fotosíntesi. Concepte i reacció global. Localització cel·lular. Fase lluminosa: fotòlisi de l'aigua, generació de poder reductor (NADPH) i fosforilació de l'ADP a ATP. Fase fosca: fixació del carboni i cicle de Calvin. Balanç de la fotosíntesi. Importància biològica. Fotosíntesi i respiració. Altres vies anabòliques

3.Catabolisme. Vies catabòliques principals: (de cada via: nom, localització cel·lular, sustrat inicial i producte final, energètica i oxidació o reducció de coenzims) . Magatzems de l'energia metabòlica: glicogen, triacilglicèrids i proteïnes. L'ATP com a transportador d'energia i l'NADH com a transportador de poder reductor. Catabolisme cel·lular aeròbic i anaeròbic i balanç energètic. Fermentació. El cas del múscul.

4. Diversitat metabòlica. Classificació dels organismes en funció de la seva font de carboni i d'energia. Concepte d'aerobiosi i d'anaerobiosi.

BIO2 METABOLISME

2

1. INTRODUCCIÓ AL METABOLISME

METABOLISME S'anomena així al conjunt de reaccions enzimàtiques de la cèl·lula. Globalment representa l'intercanvi de matèria i energia entre la cèl·lula i l'exterior. Al conjunt de rutes metabòliques es poden diferenciar els processos de trencament i els de síntesi:

-Catabolisme o vies catabòliques: reaccions que trenquen molècules complexes en molècules més senzilles. En trencar-se els enllaços de la molècula gran s’allibera energia ( reaccions exotèrmiques).

-Anabolisme o vies anabòliques: reaccions de síntesi de molècules complexes a partir de molècules senzilles. En aquestes reaccions es creen nous enllaços i per tant cal aportar energia (reaccions endergòniques) Per tal que es duguin a terme aquests processos és imprescindible l’acció dels enzims.

ENZIMS Els enzims són catalitzadors proteïcs que actuen en petites quantitats accelerant les reaccions químiques . Ho fan disminuint l’energia d’activació dels sustractes.

Característiques des enzims

� Específics del substrat: el substrat (S) és la molècula sobre la qual l’enzim exerceix la seva acció catalítica. Cada enzim actua sobre un tipus de molècula.

� Específics de reacció: cada enzim catalitza un tipus de reacció. � Eficàcia: cada enzim presenta la màxima eficàcia a una Tº i pH concrets(òptims) � Naturalesa dels enzims: alguns enzims presenten parts no proteïques. Segons la composició

s’anomenen: -Cofactor: quan es tracta d’ions o molècules inorgàniques -Coenzim: quan es tracta d’una molècula orgànica (moltes vitamines ho són)

*

BIO2 METABOLISME

3

Acció enzimàtica

� L’enzim s’uneix al substrat formant el complex enzim-substrat (ES). La unió( ponts d’hidrògen, interaccions hidrofòbiques..) es fa en un lloc específic de l’enzim: el centre actiu (porció de l’enzim format per AA que interaccionen amb el substrat)

� L’enzim catalitza la transformació del substrat, s’allibera el producte (P), i es recupera l’enzim.

Classificació dels enzims

1. Oxido-reductases Si una molècula es redueix, l’altre s’oxida

2. Transferases grupos aldehidos grupos glucosilos grupos fosfatos (kinasas)

3. Hidrolases Trenquen polímers en monòmers actuen sobre enllaços: Ester, peptídics, O-glucosídics, C-N

4. Ligases Formació de nous enllaços amb despesa ATP (entre C-O; C-S; C-C i C-N)

5. Isomerases Reaccions d’isomerització

*

BIO2 METABOLISME

4

Cinètica de les reaccions enzimàtiques:

La cinètica enzimàtica estudia la velocitat de les reaccions catalitzades per enzims. La velocitat pot determinarse mesurant l’aparició dels productes o la desapareció dels reactius..

La mesura es realitza sempre en condicions òptimes de pH i T (S saturat). En aquestes condicions la velocitat de reacció observada és la velocitat màxima Vmax. En mesurar la velocitat d’aparició de producte en funció del temps obtenim la corba de la reacció (cinètica de la reacció). La velocitat d’acumulació de producte disminueix perquè es va consumint el substrat (v0 o v inicial : pendent)

-Quan la [S]0 és petita, la V0 és directament proporcional a la [S] -A altes [S] l’enzim es troba saturat pel S i la velocitat ja no depen de la [S]. En haches punt la velocitat és màxima (Vmax)

-Constant de Michaelis-Menten: vàlida per a [S] no saturants i [E] fixa

Si fem V = Vmax /2 i aïllem Km

• Km és la concentració de substrat per la qual la velocitat de reacció és la meitat de la V màxima. (representa la [S] necesaria perquè la reacció assoleixi la meitat de la seva Vmax)

• El valor de Km dóna idea de l’afinitat de l’enzim pel substrat: a major Km menor afinitat pel substrat i menor eficacia de l’enzim . De dos enzims que actuin sobre el mateix substrat serà més eficaz el que presenti una Km menor.

Regulació de l’activitat enzimàtica: inhibidors (cianur, metalls, antibiòtics..) -Inhibició competitiva : l’inhibidor s’uneix a l’enzim pel seu centre actiu (ocupant el lloc del substrat) -Inhibició no competitiva: l’inhibidor s’uneix a l’enzim per un altre punt, canviant la seva estructura i

deixant-lo inactiu. -Retroinhibició*

Vmax

2

BIO2 METABOLISME

5

2. FOTOSINTESI

CONCEPTES Els pigments fotosintètics Cada pigment absorbeix només unes longituds d’ona de la radiació; per això té un color propi. El color que veiem en un pigment correspon precisament a les longituds d’ona que no absorbeix.. El conjunt de longituds d’ona que un pigment absorbeix constitueix el seu espectre d’absorció. Un pigment sol tenir un o més pics de màxima absorció. Tipus de pigments

Clorofil·les:(màxim absorció a 700 i 680nm)són formades per un anell complex i pla (fet de carboni i nitrogen) que duu un àtom de magnesi al centre. També duu una llarga cadena hidrocarbonada (hidròfoba) anomenada fitol. A les plantes verdes,trobem les clf a i b.

� Carotenoides: Són llargues cadenes d’ isoprens (cadenes hidrocarbonades que alternen enllaços dobles i simples) amb anells als extrems. Inclouen dos grups, els carotens, de tonalitats ataronjades, i les xantofil·les, de tons groguencs.

� Ficobilines:són com un anell de clorofil·la, però obert. Tan sols es troben a les algues vermelles (ficoeritrina) i als cianobacteris (ficocianina).

Els cloroplasts: el complex antena Les molècules de clorofil·la són fixades a la membrana del tilacoide per la cadena del fitol. Aquestes clorofil·les estan organitzades en complexos antena. Cada complex antena és format per centenars de molècules de clorofil·la i carotenoides organitzades de manera que qualsevol fotó captat passa de les unes a altres fins que arriba a una molècula concreta de clorofil·la altament especialitzada: el centre de reacció.

*

BIO2 METABOLISME

6

LA FOTOSÍNTESI

� És un procés bioquímic anabòlic autòtrof exclusiu de les cèl·lules que tenen clorofil·la que permet la incorporació de matèria inorgànica (CO2, H2O, NO3-, ...) i energia en forma de llum (electromagnètica) per elaborar molècules orgàniques.

� L'equació global és: CO2 + H 2O ----> C 6H 12O 6 + 6O2 (cal recordar que també

s'incorporen altres substàncies inorgàniques, com a fonts de N i S, que garanteixen l'elaboració d'aminoàcids)

� La fotosíntesi és un procés complex que requereix moltes reaccions químiques. Entre

elles n'hi ha que, òbviament, precisen la llum i d'altres que no. Per aquesta raó la dividim en:

� Fase lluminosa: (membrana del til·lacoid)captació de l’energia de la llum amb formació de NADPH i ATP (fotofosforilació)

� Fase fosca: (estroma) captació del CO 2 atmosfèric i síntesi de glucosa (amb l’energia del NADPH i ATP formats abans). Cicle de Calvin.

*

BIO2 METABOLISME

7

Fase lluminosa: 1. Activació del Fotosistema II.(p680). “Fotosistema II=complex antena Clf p680 + transportadors” -Es basa en el fet que un electró de la clorofil·la absorbeix l'energia de la llum (fotó) i passa a un estat excitat . Aixó fa que sigui transferit a coenzims d'una cadena transportadora. La clorofil·la esdevé oxidada. -La clorofil·la p680 recupera els electrons transferits amb la fotolisi de l'aigua Aquest procés produeix oxigen molecular.

H 2O ----> 1/2 O 2 + 2H+ + 2e-

2. Activació del Fotosistema I (p700) -Per a que la cadena de transport pugui transferir els electrons al NADP + és necessari que hi hagi un nou procés d'activació als fotosistema I (p700), també depenent clorofil·la. -Al llarg de la transferència d'electrons hi ha una caiguda de potencial que transfereix energia suficient per produir la formació d’ATP o fosforilació fotosintètica.* -Finalment els electrons són transferits a una molècula de NADP, que esdevé NADPH + H+. Aquest procés s'anomena fotofosforilació no cíclica.(quan els dos fotosistemes actuen conjuntament amb formació d’ATP i NADPH) Però és possible la fotofosforilació cíclica :en aquest cas els electrons retornen al p700 (clorofil·la a) després d'ésser excitats sense formar NADPH.

*

BIO2 METABOLISME

8

La fotofosforilació(*) s'explica per la hipòtesi quimiosmòtica: l’alliberament d’energia en el salt d’electrons per la cadena de transport facilita un bombeig de protons de l’estroma a l’espai til·lacoidal. Aquests H + s’acumulen a l’interior del til·lacoid (gradient de protons). Els H + tendeixen a retornar a l’estroma i ho fan passant per l'ATP sintasa que aprofita aquesta energia per a produir ATP.

*

BIO2 METABOLISME

9

Fase fosca:

� En aquestes reaccions té lloc la reducció i fixació de CO2 i altres molècules inorgàniques oxidades, utilitzant l'ATP i el NADPH produit a la fase lluminosa.

� Les reaccions són molt complexes; però cal destacar que en una d'elles hi participa la Ribulosa bifosfat carboxilasa-oxidasa, un enzim encarregat de fixar el CO 2

CICLE DE CALVIN: La fixació del CO2 es produeix en tres fases:

1. Carboxilació: El CO2 se fija a una molécula de 5C, gràcies a la RUBISCO. Es forma un compost inestable de 6C que es divideix en dos àcids de 3C

2. Reducció:L’àcid es redueix a gliceraldehid amb despesa d’ATP i NADPH. 3. Regeneració i Síntesi: De cada 6 molècules d’aquest compost, 5 es fan servir

per regenerar el primer compost de 5C del cicle, i una per a formar glucosa ,

Si la concentració de CO2 es baixa, la Rubisco actua com oxidasa, i en lloc de fixar CO2, oxida glúcids (fotorespiració). No s’ha de confondre amb la respiració mitocondrial, ja que l’energia es perd i no es forma ATP.

Presentació en Flash disponible en aquest site

Balanç de la fotosíntesi

Factors que influyesen en l’activitat fotosintètica � Intensitat lluminosa � Temperatura: a major Tº, més activitat ( sense arribar a màxims que desnaturalitzin enzims) � Concentració de CO2 � Concentració d’O2 : en augmentar baixar el rendiment de la fotosíntesi per fotorespiració.

*

BIO2 METABOLISME

10

4. CATABOLISME

*

BIO2 METABOLISME

11

Els procesos catabòlics

En el curs dels procesos catabòlics les molècules orgàniques es van degradant a molècules més simples i finalment molècules inorgàniques.

Són procesos d’oxidació, on les molècules orgàniques van perdent electrons, que després de passar per una cadena transportadora seran captat per una molècula acceptora final. L’energia que s’allibera permet formar ATP.

Segons qui sigui l’acceptor final d’electrons es poden diferenciar dues modalitats:

- Fermentació. L’acceptor final és un compost orgànic. Es tracta d’una oxidació incompleta i un procés anaerobi. - Respiración celular. Si l’acceptor final és el O2, es tracta d’una respiració aerobia. Si es un altre compost inorgànic (NO3

-, SO42-, CO2), es tracta d’una respiració anaerobia,

exclusiva de certs microorganismes..

Els procesos catabòlics es poden iniciar a partir de glúcids, lípids i proteïnes. En qualsevol cas, al final les diferents rutes metabòliques acaben al Cicle de Krebs, i els electrons alliberats passen a la cadena respiratòria (de transport d’electrons) per a formar ATP. Una variant són les fermentacions.

FASE PRÈVIA: implica la hidròlisi de polímers a monòmers. Es pot produir

� Extracel·lularment com a resultat de la digestió � Dins la cèl·lula, quan es mobilitzen reserves (glicògen, grasses)

FASE 1: degradació de monòmers (formació d’ AcetilCoA).Es produeix al citoplasma i és anaeròbica. (Ex: Glicòlisi)

FASE 2: final. Es produeix a la mitocondria en eucariotes. (En procariotes també al citoplasma). Hi ha dos subprocessos:

� Cicle de Krebs: produeix algo d'ATP i gran quantitat de potencial reductor NADH � Cadena transportadora d'electrons, que realitza la fosforilació oxidativa; és a dir

produeix grans quantitats d'ATP oxidant els compostos reduïts a la fase anterior.

*

BIO2 METABOLISME

12

CATABOLISME DELS GLÚCIDS

Els glúcids es consideren nutrients energètics (1g aporta 4Kcal). En el seu catabolisme primer els poliscàrids es descomposen fins a glucosa. La glucosa es trenca fins a pirúvic (3C) en la Glucólisi .

I.GLICÒLISI: Consisteix en 10 reaccions consecutives que tenen lloc al citosol.

En la glucòlisi s’obtenen com a rendiment net 2 ATP i 2 NADH que podràn passar a la cadena respiratòria.

Cada Glucosa es degrada fins a donar 2 piruvats (3C). El PYR pot seguir dos camins:

� Respiració cel·lular: II.Descarboxilació, III.Cicle de Krebs i IV.Cadena respiratòria (via aeròbia)

� Fermentació (IIb): via anaerobia

GLUCÒLISI: Citosol

Reactius Productes

1 Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 Piruvat + 2 NADH +2 ATP

II. DESCARBOXILACIÓ DEL PIRUVAT: El piruvat (3C)pasa a l’interior del mitocondri, on s’uneix al coenzim A (CoA) i pateix una descarboxilació (pèrdua de CO2) formant-se acetil-CoA (2C)

El NADH anirà a la cadena respiratòria i l’acetil-CoA passa al cicle de Krebs

Descarboxilació PYR: Matriu mitocondrial

Reactius Productes

Piruvat + CoA-SH +NAD+ Acetil-CoA + CO2 + NADH

III.CICLE DE KREBS Consisteix en 8 reaccions que tenen lloc a la matriu mitocondrial:

-De cada Acetil-coA s’alliberen dos molècules CO2, amb el que s’oxida completament -Els electrons que perd l’acetil-CoA en oxidar-se serveixen per formar 3 moléculas de NADH i una molècula de FADH2.( que aniran a la cadena respiratòria) -S’origina una molécula de GTP (equivalente desde el punto de vista energético a un ATP)

CICLE DE KREBS : Matriu mitocondrial Reactius Productes

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD+ + GDP + Pi 2 CO2 + 3 NADH +FADH2 + GTP

GTP equival a ATP. No s'ha comptabilitzat l'aigua. *

BIO2 METABOLISME

13

IV. CADENA RESPIRATÒRIA

� La cadena transportadora d'electrons (proteïnes* situades a les crestes) transfereix els electrons dels coenzims reduits (NADH i FADH2)a l'oxigen.

� S'utilitzen tots els NADH i FADH2 produïdes en els processos anteriors; tots els coenzims es tornen a oxidar i poden ésser emprats novament (NAD+, FAD+)

� Aquesta transferència va acoblada a la producció d'ATP . Cada NADH produirà 3 ATP i cada FADH2 , 2 ATP. La hipòtesi quimio-osmòtica explica aquest acoblament (fosforilació oxidativa)

*

NADH

NAD+ H+ 2e-

a Krebs

a l’espai intermembrana per fer ATP (fosforilació oxidativa)

a la cadena respiratòria fins l’O2 (l’energia que desprenen bomba H+ a l’espai inter..

BIO2 METABOLISME

14

Reacció catabolisme glucosa Reactius Productes

1 Glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

*

BIO2 METABOLISME

15

IIb. FERMENTACIONS Les fermentacions són procesos anaerobis realitzats per microrganismes que no toleren l’oxigen o per algunes cèl·lules animals quan no disposen d’oxigen.

Són poc rentables energèticament ja que l’oxidació de la matèria orgànica és incompleta (els productes encara tenen enllaços energètics). Només es formen 2 ATP per cada glucosa fermentada (glicòlisi).

-Fermentación alcohólica. En aquesta fermentació el pirúvic (3C) es transforma en etanol(2C) i es despren CO2 . La realitzen els llevats com Saccharomyces (pa i alcohol) -Fermentació làctica: el piruvat es transforma en lactat. La realitzen bacteris fermentadores de la llet (Lactobacillus) i les cèl·lules musculars quan no reben prou oxigen.

--------------------------------------------------------------

*

BIO2 METABOLISME

16

CATABOLÍSME DELS LÍPIDS

Els lípids ( triacilglicèrids) aporten més energia que els glúcids ( 1g aporta 9 Kcal) En primer lloc els acilglicèrids es descomposen en glicerina i àcids grassos. La glicerina es transforma i s’incorpora a la glucòlisi. Els àcids grassos passen a l’interior dels mitocondris on té lloc la β β β β -oxidació.

ββββ -oxidació dels àcids grassos

� En aquest procés cada àcid gras es va oxidant alliberant “fragments” de 2C, Acetil-CoA, fins que es consumeix.

� En cada β -oxidació es formen 1 FADH2, 1 NADH i un acetil-CoA (per a n parelles de C de l’acid gras, caldran n-1 β -oxidació )

� FADH2 i NADH s’incorporaran a la cadena respiratòria i l’Acetil-CoA a Krebs.

CATABOLÍSME DE LES PROTEÏNES

Les proteïnes, igual que els glúcids i lípids, també es poden descomposar per a donar energia, però no és la seva funció. Els aminoàcids resultants de la descomposició de les proteïnes es poden degradar en dos fases:

� Primer s’eliminen els grups amino. Aquests es degraden fins amoníac, que es transformat a urea per a la seva eliminació.

� Segon: oxidació de l’esquelet carbonat que resti ( Krebs)

DIVERSITAT METABÒLICA

Segons la font de carboni A partir de compostos orgànics

Heterotrofs

A partir de CO2

Autotrofs De

molècules reduïdes

Quimiotrofs

Quimioheteròtrofs

(la majoria dels bacteris)

Quimioautòtrofs

(bacteris del S, dels nitrits)

Segons la font d’energia

De la llum

Fototrofs

Fotoheteròtrofs (bacteris porpres)

Fotoautòtrofs (cianobacteris)

Aeròbis: l’acceptor final d’electrons és l’oxigen Segons l’ús

d’oxigen Anaeròbis: no empren oxigen. Hi ha d’estrictes o obligats (mai fan servir oxigen) i de facultatius. Entre els anaerobis trobem els fermentadors 8utilitzen m.o. com

receptor d’electrons) *

BIO2 METABOLISME

17

ALTRES VIES METABÒLIQUES

� ANABÒLIQUES

Gluconeogenesi:

Glicogènesi:

Lipogenesi:

� CATABÒLIQUES

Glicogenolisi:

Lipolisi:

http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/profesor/2bachillerato/1.htm

http://www.menorcaweb.net/cnaturals/index.htm

http://www2.uah.es/biomodel/biomodel-misc/anim/inicio.htm *