Metabolisme 1 Introducci al metabolisme Catabolisme Energia i

Metabolisme • 1. Introducció al metabolisme. Catabolisme. Energia i treball biològic. Anabolisme. Relació entre catabolisme i anabolisme. Via metabòlica i reacció química. Reaccions exergòniques i endergòniques. Diferència entre espontaneïtat i velocitat. Importància dels enzims: Catàlisi. Cèl·lules autòtrofes i heteròtrofes. Flux de matèria i d'energia.

Concepte: Metabolisme és el conjunt de totes les reaccions químiques i per tant transformacions d’energia que succeeixen en l'interior de les cèl·lules. Les reaccions químiques són les reacc. metabòliques i les substàncies que intervenen els metabòlits. És un procés altament integrat on participen nombroses vies o rutes metabòliques formades per conjunts de reaccions encadenades i catalitzades per enzims específics Esquema general del metabolisme aerobi: punts metabòlits línies vies metabòliques. La via central és la respiració cel·lular

La finalitat general del metabolisme és l'intercanvi de matèria i energia amb el medi ambient per poder realitzar les funcions vitals.

Les cèl·lules tenen 4 necessitat essencials -peces per a la construcció: sucres, aminoàcids, lípids, nucleòtids -catalitzadors químics: enzims que acceleren les reaccions -informació que guiï l’activitat cel·lular -energia: els fotòtrofs capten energia solar i els quimiòtrofs que tenen com a font d’energia els enllaços químics dels compostos que ingereixen.

Pèrdues de calor Energia lliure superior Entropia disminuïda fotòtrofs L’energia flueix contínuament per la biosfera Pèrdues de calor quimiòtrofs Energia lliure inferior Entropia augmentada

Les cèl·lules necessiten energia per a fer 6 tipus de canvis o treballs diferents: a) Treball de biosíntesi o químic (anabolisme) b) Treball mecànic (moviment cilis i flagels, contracció muscular. . ) c) Treball de concentració: transport de substàncies a través de les membranes contra gradient d) Treball elèctric i crear potencials de membrana e) Calor f) Bioluminescència

Característiques del metabolisme • 1. Les reacc. químiques o grups de reacc. similars del metabolisme estan catalitzades per enzims. • 2. En gral. les reacc metab. estan ordenades en seqüències o en sèries Poden ser lineals, ramificades o cícliques Poden ser convergents (en gral. el catab. ) o divergents (en gral l’anab. )

• 3. Les reacc. metab. estan regulades: a nivell cel·lular modulant l’actv. dels enzims i a nivell organisme pluricel·lular hi ha controls addicionals amb hormones que coordinen l’actv. de diferents teixits • 4. El metb a les cèl eucariotes mostra un alt grau de compartimentació • 5. Algunes reacc metabòliques es fan fora la cel. : la digestió, . . .

Parts del metabolisme: tenen lloc de forma simultània i acoblada Matèria molt organitzada del medi extern o de les pròpies reserves catabolisme Matèria menys organitzada energia Matèria poc organitzada calor Matèria molt organitzada anabolisme Reacció degradativa exotèrmica. Allibera energia Reacció constructiva endotèrmica. Necessita energia Esquema que mostra les diferències i les interrelacions entre el catabolisme i l'anabolisme

Alguns conceptes energètics • Els éssers vius són un Sistema obert: contínuament estan intercanviant amb l’entorn la matèria i energia que necessiten entorn Sistema obert Sistema tancat

Virus de la grip Cilis Gra de pol. len Pèls de la cama d’un mosquit Girasol Els éssers vius tenen un ordre espectacular en les seves estructures

Principis de la termodinàmica Termodinàmica: ciència que estudia els canvis d’energia que es donen en totes les reaccions químiques Bioenergètica: ciència que estudia els principis de la termodinàmica aplicats a les reaccions biològiques • 1 era llei de la termodinàmica: L’energia es conserva: l’energia es pot convertir d’una forma a una altra però no es pot crear ni destruir. La quantitat d’energia que entra en un sistema biològic ha de ser igual a la que surti menys la que s’hi hagi acumulat Una part de l’energia que utilitza un ésser viu per a fer un treball es perd en forma de calor, diem es “perd” en el sentit de que ja no es pot utilitzar per a fer cap treball biològic.

• 2 ona llei de la termodinàmica o llei de l’espontaneïtat: l’espontaneïtat termodinàmica és una mesura de si una reacció o procés es pot produir però no diu si es produirà. + CO 2 + H 2 O + calor + residus Les reaccions espontànies són direccionals. La reacció contrària no es produirà mai. Qualsevol canvi químic de l’univers sempre tendeix al desordre o a l’aleatorietat de l’univers

• Tot i que la fascinant complexitat dels éssers vius sembla contradir les lleis de la termodinàmica, la vida és possible perquè tot els organismes són sistemes oberts que intercanvien matèria i energia amb el seu medi. • Així doncs, els sistemes vivents no es troben en un equilibri, sinó que són sistemes dissipatius que mantenen el seu estat d'alta complexitat causant un major increment en el desordre del seu medi.

L’intercanvi d’energia entre un sistema i l’entorn es fa de 2 maneres: -- Com a calor: transferència d’energia d’un lloc calent a un de fred. No vàlid pels sistemes biològics que són isotèrmics -- Com a treball: exemples la contracció muscular per aixecar un llibre la digestió d’una bossa de patates per fer una contracció muscular energia solar per sintetitzar un sucre Per quantificar les variacions d’energia es fan servir les unitats: calories/mol o julis/mol

desordre El metabolisme d'una cèl·lula acobla els processos espontanis del catabolisme als processos no espontanis de l'anabolisme. En termes termodinàmics, el metabolisme manté l'ordre per mitjà de la creació de desordre

Catabolisme Reaccions exotèrmiques Oxidacions Degradació Convergent Donen energia Compren dos tipus de reaccions: 1. Trencament de molècules, generalment per hidròlisi per a obtenir molec petites. No serveix per a fer energia. Les molec petites serviran per: 2. --- Oxidar-les i obtenir energia 3. --- Ser usades per crear polímers 4. En animals i fongs: digestió en el tub digestiu o externa 5. En plantes, per exemple, en la germinació de les llavors o quan la patata grilla 2. Oxidacions de molècules orgàniques per a obtenir energia. L’energia obtinguda s’emmagatzema en l’ATP per posteriorment usar-la per fer algun treball biològic

L’oxidació total d’un mol de glucosa en la respiració aeròbica allibera 686 kcal, una part de la qual es perd en forma de calor i una altra part s’utilitza per a fer de 36 a 38 ATP. L‘energia química emmagatzemada es fa en forma d’ATP (també UTP o GTP) i es la que s’utilitza directament per a fer el treball biològic. Així doncs el catabolisme i l’anabolisme s’acoblen gràcies a l’ATP

Molècules orgàniques complexes ADP + P ATP Catabolisme Anabolisme Coenzims oxidats Coenzims reduïts Molècules residuals que s’han d’excretar: CO 2, H 2 O, NH 4, etanol i poques més Molècules poc organitzades inorgàniques o orgàniques

ATP DG = - 7, 3 kcal/mol H 2 O DG = + 7, 3 kcal/mol La hidròlisi de l’ATP és molt exotèrmica En les cèl·lules la relació entre ATP/ADP és de 5: 1

SÍNTESI D’ATP • Per FOTOFOSFORILACIÓ: únic mecanisme lligat a l’anabolisme. A la fase lluminosa de la fotosíntesi (caden. Resp. i ATPasa) • PER MITJÀ DE LES CADENES RESPIRATÒRIES i les ATPsintetases de les mitocòndries • A NIVELL DE SUBSTRAT PEP + H+ Compostos fosforilats de la cèl·lula i la seva hidròlisi ATP DG=-14, 8 DG=+7, 3 ADP PIRUVAT

També intervenen coenzims • Si en un procés químic es perden electrons, és una oxidació. • A biologia aquest traspàs d'electrons sempre va acompanyat de protons • Sempre hi ha d’haver una altre molècula que capti els e- i es redueixi: aquestes molècules són els coenzims

NAD+ NADH + H+

Tres tipus de catabolisme energètic segons l’oxigen • Respiració cel·lular aeròbica es fa a les mitocòndries de les cèl·lules eucariotes i en moltes procariotes • Respiració cel·lular anaeròbica es fa només en algunes procariotes • Fermentació en molts tipus de procariotes i en eucariotes

Condicions aeròbiques * cèl·lules aeròbiques: viuen en contacte amb l’aire i utilitzen l’O 2 com acceptor final d’H (electrons i protons) quan oxiden la matèria orgànica i obtenen energia MO + O 2 CO 2+H 2 O+ energia • El diòxid de C s’ha d’eliminar • L’aigua s’anomena metabòlica ja que la fabrica la mateixa cèl·lula • L’energia no es fa servir de forma directa per a fer un treball sinó que s’emmagatzema ATPs • El procés es fa a les mitocòndries

Condicions anaeròbiques * cèl·lules anaeròbiques: viuen en absència de l'aire i utilitzen altres substàncies per a oxidar les seves molècules diferents de l’O 2. Les anaeròbiques poden ser estrictes -si són enverinades per l'O 2 i no poden viure en presència de l’aire- i facultatives -quan poden realitzar ambdós processos: el llevats. Moltes unicel·lulars i alguns teixits d’organismes pluricel són facult, com les cèl. musculars

Catabolisme energètic Donador d’e- Cadena transporta dora d’e- Acceptor final d’e- Eficiència energ ètica Respiració aeròbica Proc. i euc. monosac, àcid gras. i amionoàc. Sí Proc: mb plasm Euca: mb interna mitocondri O 2 La MO s’oxida totalment a CO 2 i H 2 O Molta Respiració anaeròbica procariotes monosac, àcid gras. i amionoàc. Sí Proc: mb plasm Compostos inorgànics Molta NO 3 -, SO 4 -2, CO 32 La MO s’oxida totalment a CO 2 i un altre compost segons l’acceptor Fermentacions Monosac No, al citosol Proc. i euc. bàsicament i fosforilacio a amionoàc. nivell de substrat Compost orgànic poc oxidat i CO 2 Oxidació parcial de la MO Poca

Anabolisme Reaccions endotèrmiques Reduccions Divergents Necessiten energia que prové de les oxidacions de la M. O. a les mitocòndries gràcies a la resp. cel. I que s’enmagatzema en els ATP. Síntesi de molècules complicades Les molècules complicades creades poden ser: -- monòmers a partir de molèc més petites (metabòlits intermèdis): crear glucosa (6 C) a partir de l’àcid pirúvic (3 C) -- polímers a partir de monòners Les reaccions anabòliques dels heteròtrofs són el que anomenen l’anabolisme general i els autòtrofs fan l’anabolisme general i a més la fotosíntesi: origen únic de la vida

Font d’E Font d’e- o H Font de C Organismes i la seva font d’e- Llum Foto- Compostos inorgànics Lito- CO 2 Auto- Procariotes Clorobiàcies i Cromatiàcies H 2 S, S Rodospiril. làcies H 2 Cianobactèries i Cloroxibactèries H 20 Algues i Plantes H 20 Hetero- No es coneix cap organisme Compostos orgànics Organo- Auto- No es coneix cap organisme Compostos orgànics Hetero- Procariotes Cloroflexàcies Cromatiàcies Heliobacteriàcies Compostos inorgànics Lito- CO 2 Auto- Procariotes Metanògens H 20 Oxidadors d’hidrogen H 2 Metilòtrofs Oxidadors de l’amoni i de nitrits NH 3 i NO 2 - Hetero- Procariotes Bacteris sulfurosos S Oxidadors del mamganès Bacteris del ferro Fe 2+ Beggiatoa sulfits oxidadors Desulfovibrio sulfats reductors CO 2 Auto- Procariotes Clostridi Hetero- Procariotes La majoria (font d’e-: nitrat, sufat, oxigen. . ) Protoctistes, fongs i animals O 2 Compostos químics Químio- Compostos orgànics Organo-

Catabolisme dels glúcids Glucosa + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + energia 686 kcal/mol El 40% de l’energia es fa servir per a fer ATP

Dihidroxiacetona-1 P Glucosa Glucosa-6 P Fructosa-6 -P Fructosa-1, 6 di. P Gliceraldehid-3 P La glicòlisi Àcid 1, 3 difosfoglicèrid Àcid pirúvic àc. 2 fosfoenolpirúvic àc. 2 fosfoglicèrid, àc 3 fosfoglicèrid

Resum glicòlisi • • • Quines reaccions han tingut lloc? És aeròbica o anaeròbica? Quin és el substrat inicial? De quants àtoms? Quin és el producte final? De quants àtoms? Quants àtoms d’H (e- i H+) se separen de la glucosa? • On té lloc? Quines cèl·lules fan aquesta ruta? • Reacció general: Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + NAD+ 2 Àcid pirúvic + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

El catabolisme són reaccions d’oxidació. Poden ser de dues maneres: -- Deshidrogenacions: pèrdua d’àtoms d’H (un electró i un protó) units a un àtom de C -- Oxidacions: guany d’O. Les reaccions d’oxidació només es poden fer si un altre àtom accepta els electrons que perd l’àtom oxidat. Aquest que accepta els electrons quedarà reduït. Per això aquests processos s’anomenen reaccions d’oxido-reducció o redox Els transportadors d’H són els coenzims: NAD, NADP, FAD.

Altres vies catabòliques de glúcids

La piruvat deshidrogenasa PDH Mitocòndria Quines reaccions han tingut lloc? És aeròbica o anaeròbica? . Només es fa si hi ha oxigen a les mitocòndries Quin és el substrat inicial? De quants àtoms? Quin és el producte final? De quants àtoms? Quants àtoms d’H (e- i H+) se separen del substrat? On té lloc? Quines cèl·lules fan aquesta ruta? Reacció general:

Mitocòndries Membrana ext: prot memb actuen de canals. Impermeable als protons Espai intermemb: comp semblant al citosol Memb. Interna: bastant impermeable, conté prot transportadores d’e- i ATP sintetases. No conté colesterol com els bacteris Matriu: tots els enzims per a fer el cicle de Krebs, la boxidació, sint de prot en els ribosomes, duplicació de l’ADN

En rosa es marquen els àtoms que venen del piruvat via acetil-Co. A fins que es desordenen per la simetria del fumarat. Els àtoms de C que es perden en forma de CO 2 estan en gris Cicle de l’àcid tricarboxílic Cicle de Krebs

Quines reaccions han tingut lloc? És aeròbica o anaeròbica? . Només es fa si hi ha oxigen a les mitocòndries Quin és el substrat inicial? De quants àtoms? Quin és el producte final? De quants àtoms? Quin poder reductor es crea? On té lloc? Quines cèl·lules fan aquesta ruta? Reacció general sense igualar

Cadena respiratòria En les cadenes transportadores d’e- les molècules estan ordenades segons el seu potencial redox La tendència a acceptar e- es mesura pel potencial redox. Les molècules de potencial redox més baix tendeixen a cedir e- (oxidantse) a les molècules amb potencial redox més alt (reduint-se). Energia en volts Els e- viatges en molècules transportadores d’e- (NAD, FAD. . . ) Com que a cada oxidació s’allibera més energia que la necessària per a cada reducció, la cèl·lula, en les cadenes respiratòries, transforma l’energia de potencial redox en energia d’enllaç fosfat

Complex 1 coenzim Q complex 3 citocrom c complex 4 ATPasa

Hipòtesi quimioosmòtica de Mitchell • L’energia alliberada en la cadena respiratòria s’inverteix en provocar un bombeig de protons a l’espai intermembranós. Es crea un gradient electroquímic que fa funcionar les ATP ases

Balanç final del Catabolisme d’una glucosa NAD red FAD red ATP GTP ATP dels coenz Total ATP glucòlisi 2 0 2 2 x 3=6 ATP 8 De pir a acetil 2 0 0 2 x 3=6 6 Cicle de Krebs 6 2 2 6 x 3=18 2 x 2=4 24 En cèl. eucariotes 36 ATP ja que el NADred de la glucòlisi perd part de la seva energia entrant a la mitocòndria 38 ATP La combustió al lab dóna C 6 H 12 O 6+ 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + energia 686 kcal/mol La combustió dins la cèl dóna C 6 H 12 O 6+ 6 O 2 + … ADP +. . . Pi 6 CO 2 + 6 H 2 O + ………. ATP Quin % de l’energia emmagatzemada en els enllaços de la glucosa es fa servir per fer ATP? El 40%

Respiració aeròbica dels àcids grassos • Lípids: cada gram de greix aporta 9 kcal mentre que cada gram de glúcid o proteïna aporta 4 kcal • A pesar de les avantatges de tenir greix com a reserva (més energètic, poc pes, hidròfob i per tant s’emmagatzema sense aigua) hi ha òrgans que només usen glúcids com a font energètica (cervell) • Els triacilglicèrids acumulen en els citoplasma dels adipòcits • Quan la lipasa intracel·lular ha separat la glicerina dels àcids grassos. La glicerina va a parar a. . . tatataxin!

On va a parar la glicerina?

El catabolisme dels àcids grassos té tres fases 1. Activació de la molècula: els enzims estan a la meb externa del mitoc. Àcid gras + HS-Co. A + ATP acil. Co. A + AMP +PP 2. Entrada dels àcids grassos al mitoc Per la carnitina (coenzim transportador d’àcids grassos) L’àcil. Co. A s’allibera dels Co. A i es transferit a un altre Co. A de la matriu 3. Reaccions de la b-oxidació que té lloc a la matriu mitocondrial.

b-oxidació o Hèlix de Lynen 1. Formació del doble enllaç trans- , . 2. Hidratació del doble enllaç. 3. Deshidrogenació NAD+-depenent de la -hidroxiacil-Co. A. 4. Ruptura del enllaç C - C per formar acetil-Co. A i un nou acil-Co. A amb dos àtoms de carboni menys que l’original.

b-oxidació o Hèlix de Lynen Quines reaccions han tingut lloc? És aeròbica o anaeròbica? Quin és el substrat inicial? De quants àtoms de C? Quin és el producte final? De quants àtoms de C? Quin poder reductor es crea? On té lloc? Quines cèl·lules fan aquesta ruta? Reacció general sense igualar

Balanç final del Catabolisme de l'àcid palmític (16 C) és el principal àcid gras de la dieta, abundant a la carn i als làctics a-a-a-a-a NAD red FAD red ATP GTP ATP dels coenz Total ATP 7 x 3=21 7 x 2=14 35 24 x 3=72 8 x 2=16 96 -2 activació Hèlix de Lynen 7 7 Cicle de Krebs 8 x 3=24 8 x 1=8 129 ATP Els carbonis dels greixos estan més reduïts que els carbonis dels glúcids i per això poden oxidar-se més i donar més energia per a fer ATP

Catabolisme de proteïnes

Catabolisme de proteïnes • Les proteïnes són hidrolitzades fins als aminoàcids que les constitueixen durant el procés digestiu o, dins la cèl·lula, als lisosomes • En els mamífers el catabolisme dels aminoàcids té lloc bàsicament als hepatòcits i als ronyons

Els aa poden patir tres tipus de processos • Transaminacions • Descarboxilacions

Reacció genèrica de transaminació • els aminoàcids perden el seu grup amina per acció de transaminases de manera que aquests grups queden concentrats en un sol tipus d'aminoàcid, l'àcid glutàmic • transaminases es troben tant al citoplasma com a la matriu mitocondrial. • Els cetoàcids van a parar, a la fi, al Krebs • Escriu les fòrmules d'aquesta reacció catalitzada per transaminases: alanina + α-cetoglutarat --> piruvat + glutamat

Desaminació oxidativa. és l'alliberació directa dels grups amino dels aminoàcids en forma de NH 4+, i així es formen els alfacetoàcids. Enzims: deshidrogenases, localitzades al citoplasma i als mitocondris de les cèl∙lules hepàtiques. En les desaminacions es produeixen NADH reduïts Descarboxilació: és la pèrdua del grup carboxil (COOH) d’un en forma de CO 2 d’un alfacetoàcid, gràcies a l'acció del Co. A. El producte pot incorporarse al cicle de Krebs.

• Els cetoàcids van a parar, a la fi, al Krebs • Les vies són diferents per gairebé tots els aa • Per exemple, al cas anterior, l'aspartat s'incorpora ja en forma d'oxalacetat, Però com s'incorpora l'alanina? Així doncs les proteïnes també es poden usar, rarament, per a fer energia. A més, com ja explicarem, l’energia dels aa s’acaba transformant i emmagatzemant en glúcids

• Les reaccions de transaminació acumulen els grups amina en forma d'àcid glutàmic. • L'àcid glutàmic entra al cicle de la urea • Aquest cicle té lloc entre el citosol i els mitocondris de les cèl·lules hepàtiques • En aquest cicle el nitrogen dels grups amina es transforma en urea, que és excretada als ronyons. NH 2 -CO-NH 2

Catabolisme sense O 2 Que passa si no hi ha oxigen?

La FERMENTACIÓ LÀCTICA és utilitzada en la indústria alimentària làctica. En tres fases: 1) Hidròlisi gràcies a la lactasa, en glucosa i galactosa. Llavors, la galactosa serà transformada a glucosa. 2) La glucosa àcid pirúvic gràcies a la glucòlisi. 3) L'etapa de fermentació serà la reducció de l'àcid pirúvic fins a àcid làctic mitjançant l'enzim lactat deshidrogenasa. Calcula quants ATP donarà una molècula de lactosa si no hi ha oxigen. I quants lactats? Es propia de Lactobacillus casei, L. bulgaricus, Streptoccocus lactis, Leuconostoc citrovorum També a les cèl·lules musculars

Fermentació de la glucosa a làctic • • Quines reaccions han tingut lloc? És aeròbica o anaeròbica? Quin és el substrat inicial? De quants àtoms de C? Quin és el producte final? De quants àtoms de C? Quin poder reductor es crea? On té lloc? Quines cèl·lules fan aquesta ruta? Reacció general Contesta les mateixes qüestions per la fermentació alcòlica?

La duen a terme enzims especials que hi ha en els llevats del gènere Saccharomyces, com S. cerevisiae Útils: cervesa, vi, pa, whisky, rom, sidra. . .

La glucòlisi I fermentació

La respiració anaeròbica • és un procés poc habitual que només realitzen alguns grups de bacteris. • procés metabòlic d'oxidació-reducció • anàleg a la respiració aeròbica • l'acceptor final d'electrons és una molècula inorgànica (sulfat o un nitrat) diferent de l' oxigen. • intervé també una cadena transportadora d'electrons en la qual es tornen a oxidar els coenzims reduïts durant l'oxidació dels substrats nutrients. L‘única diferència és que l'acceptor últim d'electrons no és l'oxigen. • En la respiració anaeròbica tots els possibles acceptors tenen un potencial de redox menor que el de l'O 2, per la qual cosa, partint dels mateixos substrats (glucosa, aminoàcids, triglicèrids), es genera menys energia que en la respiració aeròbia convencional. • No s'ha de confondre la respiració anaeròbica amb la fermentació, aquests dos tipus de metabolisme tenen sol en comú el no ser dependents de l'oxigen.

La respiració anaeròbica Aceptor Producto final Microorganismo Nitrato Nitritos, óxidos de nitrógeno y N 2 Pseudomonas, Bacillus Sulfato Sulfuros Desulfovibrio, Clostridium Azufre Sulfuros Thermoplasma CO 2 Metano Methanococcus, Methanosarcina, Methanopyrus Fe 3+ Fe 2+ Shewanella, Geobacter, Geospirillum, Geovibrio Mn 4+ Mn 2+ Shewanella putrefaciens Selenato Selenito Arsenato Arsenito Desulfotomaculum Fumarato Succinato Wolinella succinogenes, Desulfovibrio, E. coli DMSO DMS Campylobacter, Escherichia

Anabolisme