1. ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISME

Transcripción

1 1. ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISME El catabolisme és la fase degradativa del metabolisme amb la finalitat d'obtenir energia i matèria més senzilla. 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 (CO 2, NH 3, 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. 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: 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: CH 3 CH 2 CH B CH 3 CH = CH... + BH 2 Oxigenació. Una molècula s'oxida quan s'uneix a àtoms d'oxigen. Com que l oxigen és més electronegatiu que el carboni, és a dir, atrau amb més força que el carboni el electrons compartits, com més oxígens acompanyats tingui el carboni, menys electrons tindrà en propietat. Per exemple, en la molècula anterior podria ser així: CH 3 CH 2 CH BO CH 3 CH 2 CHOH... + B Un àtom tan sols pot perdre electrons (oxidació) si hi ha un altre àtom que els accepta (reducció). Per això, aquests processos s anomenen reaccions d oxidació-reducció o, més comunment, reaccions redox. Si es tracta d una oxidació per oxigenació, hi ha d haver una substància donadora d àtoms d oxigen. 115

2 BLOC I: BIOQUÍMICA Segons la naturalesa de la substància que es redueix, és a dir, que accepta els hidrògens, es distingeixen dos tipus de catabolisme: la fermentació i la respiració. En la fermentació la molècula que es redueix és sempre orgànica. En la respiració la molècula que es redueix és un compost inorgànic, i pot ser: Respiració aeròbica si es la molècula que es redueix és l O 2. Respiració anaeròbica si és diferent de l oxigen, per exemple: - NO, 3 2- SO, etc. 4 En la figura següent podem observar l'esquema general del catabolisme cel lular aerobi: 116

3 2. CATABOLISME DE GLÚCIDS Al tub digestiu dels animals i per mitjà dels processos digestius, els polisacàrids o disacàrids de la ingesta s hidrolitzen i se separen els seus monosacàrids constituents com ara la glucosa, la fructosa i la galactosa. Les reserves de glicogen dels animals i el midó dels vegetals també poden ser hidrolitzades en unitats de glucosa quan es requereix energia. La glucosa és el monosacàrid més abundant, per la qual cosa el seu procés degradatiu pot servir d'exemple del catabolisme respiratori dels glúcids. 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 i el transport d'electrons en la cadena respiratòria. LA GLICÒLISI. Aquesta primera fase del catabolisme glucídic és totalment anaeròbia, ja que no necessita la presència d'oxigen, i es duu a terme al citoplasma cel lular. Els diferents passos de la glicòlisi són: ❶ ❷ ❸ ❹ ❺ ❻ ❼ ❽ ❾ La glucosa es fosforila a glucosa-6-fosfat gràcies a la hidròlisi d'una molècula d'atp. Si la font de glucosa és el glicogen intern de la cèl lula no cal fosforilar-la, ja que el trencament del glicogen produeix directament glucosa-6-fosfat. La glucosa-6-fosfat s'isomeritza a fructosa-6-fosfat. La fructosa-6-fosfat es fosforila a fructosa-1,6-difosfat gràcies a una altra molècula d' ATP. La fructosa-1,6-difosfat es trenca en dues molècules: el gliceraldehid-3- fosfat i la dihidroxiacetona-fosfat, totes dues de tres carbonis cadascuna. La gliceraldehid-3-fosfat es fosforila gràcies a un grup fosfòric inorgànic i s'oxida, i així es forma àcid 1,3-difosfoglicèric; els hidrògens perduts van a parar al coenzim NAD +, que es redueix. La dihidroxiacetona-fosfat es pot isomeritzar a gliceraldehid-3-fosfat, de manera que a partir del pas 5, els productes de la glicòlisi s'han de multiplicar per dos. L'àcid 1,3-difosfoglicèric es desfosforila, i així es transforma en àcid 3- fosfoglicèric i es forma una molècula d' ATP. Es traspassa el grup fosfòric de l'àcid 3-fosfoglicèric al carboni 2, i d'aquesta manera s'obté àcid 2-fosfoglicèric. Formació d'un doble enllaç en l'àcid 2-fosfoglicèric, i s'obté àcid fosfoenolpirúvic (PEP) i una molècula d' aigua. Desfosforilació del PEP, i s'obté com a producte final àcid pirúvic i una molècula d'atp. 117

4 BLOC I: BIOQUÍMICA Completa el següent esquema de la glicòlisi amb els noms dels metabòlits: Fixa t bé en el rendiment d ATP i NADH que s obté d una molècula de glucosa i fes-ne un recompte. 118

5 Podem resumir la glicòlisi en dues fases: Fase 1: La glucosa és degradada a dues molècules de gliceraldehid-3-p. Aquesta fase necessita energia i consumeix dues molècules d'atp. Fase 2: Les dues molècules de gliceraldehid-3-p són oxidades a piruvat en una sèrie de reaccions que desprenen energia, que queda emmagatzemada en quatre molècules d'atp, dues per cada molècula de gliceraldehid-3-p. A més, l'oxidació és aprofitada per a reduir dues molècules de NAD + a NADH + H +. Al final de la glicòlisi s'obtenen, per cada molècula de glucosa: 2 molècules de piruvat 2 molècules d'atp 2 molècules de NADH Si ens fixem en l'esquema de la glicòlisi, observem que prèviament hi ha una despesa de dos ATP que posteriorment és recuperada amb la formació de quatre molècules d'atp. Aquests ATP s'obtenen per fosforilació a nivell de substrat. Així mateix, s'obtenen dues molècules de NADH que pot produir ATP en la cadena respiratòria o bé es pot fer servir com a poder reductor en les reaccions de biosíntesi. La glicòlisi probablement va ser el primer sistema metabòlic "inventat" pels organismes primitius per extraure energia de la glucosa, quan l'atmosfera de la Terra encara no tenia oxigen. Tot i que s'ha mantingut a gairebé tots els organismes actuals, des del punt de vista energètic desaprofita la major part de l'energia emmagatzemada a l'interior d'aquesta molècula. Per a la majoria de les cèl lules dels organismes superiors, la glicòlisi és únicament un preludi del catabolisme energètic, ja que l'àcid pirúvic que es forma penetra ràpidament als mitocondris on serà oxidat completament a CO 2 i H 2 O. Altrament, als organismes anaerobis i en alguns teixits sotmesos a condicions anaeròbiques, les molècules d'àcid pirúvic romanen al citoplasma i poden ser transformades mitjançant reaccions de fermentació. 3. VIA AEROBIA DEL CATABOLISME DE GLÚCIDS La glicòlisi allibera únicament una reduïda fracció del total de l'energia lliure disponible de l'oxidació dels glúcids. El metabolisme dels glúcids (i dels àcids grassos) es completa en el mitocondri mitjançant la seva oxidació total amb oxigen molecular (O 2 ) fins a transformar-se en CO 2 i H 2 O. L'energia disponible s'aprofita d'aquesta forma molt més eficaç. Els mitocondris són, per tant, els orgànuls que subministren la major part de l'energia necessària per a l'activitat cel lular. 119

6 BLOC I: BIOQUÍMICA La via aeròbia consisteix en dos grups de reaccions: el cicle de Krebs, amb la prèvia descarboxilació oxidativa del piruvat, i la cadena de transport d electrons. DESCARBOXILACIÓ OXIDATIVA DEL PIRUVAT. 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. Per fer-ho, sofreix un procés previ d'oxidació i descarboxilació (pèrdua d'un àtom de carboni) en el qual intervenen uns quants enzims i coenzims i es transforma en acetil-coa. El NADH que es forma alliberarà el seu poder reductor en la cadena respiratòria, que produirà ATP, mentre que l acetil-coa entrarà en el cicle de Krebs. CICLE DE KREBS. Una vegada s'ha obtingut l'acetil Co A, aquest entra en l'anomenat cicle de Krebs. Es tracta d'un conjunt cíclic de reaccions oxidatives que produeixen dues molècules de CO 2 (procedents de l'oxidació de l acetil) i s'alliberen 4 parells d'electrons que són captats pels coenzims NAD + i FAD que passen a les seves formes reduïdes de NADH i FADH 2. Els passos del cicle de Krebs són els següents: ❶ Unió de l'acetil-coa (2 carbonis) amb l'àcid oxalacètic (4 carbonis) per formar l'àcid cítric (6 carbonis). ❷ L'àcid cítric s'isomeritza a àcid isocítric. ❸ L àcid isocítric es descarboxila i s oxida, i es forma l'àcid α-cetoglutàric (5 C). ❹ ❺ L'àcid α-cetoglutàric es descarboxila i deshidrogena, i així es forma succinil-coa (4 C). Per a la reacció es necessita l'ajut del CoA. El succinil-coa perd el CoA i es transforma en àcid succínic, i així s'allibera una energia que és suficient per fosforilar una molècula de GDP i formar-ne un GTP. ❻ L'àcid succínic s'oxida a àcid fumàric. Els hidrògens els reps el FAD. ❼ L'àcid fumàric s'hidrata i es transforma en àcid màlic. ❽ L'àcid màlic s'oxida i es transforma en àcid oxalacètic, amb la qual cosa es tanca el cicle. 120

7 En resum, per cada molècula d'acetil-coa que hi entra s'obtenen: 2 CO 2 1 FADH 2 3 NADH 1 GTP Els NADH i FADH 2 passaran posteriorment a la cadena respiratòria del mitocondri i produiran ATP. A més, el cicle de Krebs produeix una molècula d'atp en forma d'gtp mitjançant un procés de fosforilació a nivell de substrat. Com que en la glicòlisi es formen dues molècules d'àcid pirúvic, per a la degradació total d'una molècula de glucosa calen dues voltes del cicle de Krebs. Fes un recompte dels NADH, FADH 2 i ATP que s obtenen d una molècula de glucosa que s oxida totalment amb el cicle de Krebs. 121

8 BLOC I: BIOQUÍMICA CADENA RESPIRATÒRIA O CADENA DE TRANSPORT D ELECTRONS. La cadena de transport electrònic o cadena respiratòria és un sistema de molècules situades en la cara interna de les crestes mitocondrials que tenen la capacitat d'oxidarse, cedint electrons, i reduir-se, captant electrons, que són transportats des del NADH i el FADH 2, que resulten oxidats, fins a l'oxigen molecular, que resulta reduït a aigua. En la cadena de transport d electrons es distingeixen molècules que s'ocupen de transportar simultàniament electrons i protons (H + ), com ara el complex NADH deshidrogenasa i el complex coenzim Q reductasa o ubiquinona, i altres molècules que tan sols transporten electrons, com els citocroms. La cadena comença quan els transportadors d'electrons reduïts, NADH i FADH 2, transfereixen els seus electrons a algun dels complexos proteics. El NADH ho fa al primer de la cadena, mentre que el FADH 2 ho fa al segon. Amb aquesta transferència els coenzims NADH i FADH 2 es tornen a oxidar i poden ser emprats novament en altres vies metabòliques, com ara el cicle de Krebs o la glicòlisi. Els electrons són cedits finalment a l'o 2, que es redueix a H 2 O. Per això diem que la cadena respiratòria és un procés aeròbic. Als organismes anaerobis l acceptor és diferent de l'oxigen. El transport d'electrons a la cadena respiratòria té una conseqüència: a més de cedir els electrons a l'oxigen, durant el transport pels complexos proteics s acumulen protons (H + ) a l espai intermembrana. Segons la hipòtesi quimiosmòtica de Mitchell, això genera un gradient electroquímic (de concentració i de càrrega) de H + que fa que retornin a la matriu mitocondrial per l únic lloc que poden, el complex enzimàtic ATP sintetasa, subministrant l energia necessària per produir ATP. 122

9 L'acoblament entre la cadena respiratòria i la síntesi d'atp a través de l ATP sintetasa rep el nom de fosforilació oxidativa i té el següent rendiment energètic: 3 ATP per cada molècula de NADH. 2 ATP per cada molècula de FADH 2. RENDIMENT ENERGÈTIC DEL CATABOLISME AERÒBIC DE LA GLUCOSA. 4. VIA ANAEROBIA DEL CATABOLISME DE GLÚCIDS El piruvat format en la glicòlisi no sempre segueix la via de la respiració cel lular, en condicions anaeròbiques pot passar a la via de les fermentacions. En la fermentació, l'àcid pirúvic no continua a l'interior del mitocondri per entrar al cicle de Krebs, sinó que és reduït a diverses molècules orgàniques i es recupera així el coenzim oxidat (NAD + ), necessari per a que continuï el procés de glicòlisi. No hi ha síntesi d'atp en les ATP-sintetases, tan sols hi ha síntesi d'atp a nivell de substrat (el que es produeix en la glicòlisi). Això explica la baixa rendibilitat energètica de les fermentacions, de tan sols 2 ATP. Les fermentacions són pròpies de microorganismes com els llevats i alguns bacteris, encara que alguna, com ara la fermentació làctia, es pot dur a terme al teixit muscular dels animals quan no arriba prou oxigen a les cèl lules. De vegades s'anomenen erròniament fermentació processos en els quals intervé l'oxigen, per exemple, la mal anomenada fermentació acètica, amb la qual s'obté àcid acètic (vinagre) a partir del vi i de l oxigen, quan en realitat és una respiració aeròbica d'oxidació incompleta. 123

10 BLOC I: BIOQUÍMICA Segons quina sigui la naturalesa del producte final, es distingeixen diversos tipus de fermentacions. Les més importants són la fermentació alcohòlica i la fermentació làctica. FERMENTACIÓ ALCOHÒLICA O ETÍLICA. La fermentació alcohòlica o etílica consisteix en la transformació de la glucosa en etanol i CO 2. En una primera etapa es duu a terme la glicòlisi i es transforma la glucosa en àcid pirúvic, i en l'etapa següent es dóna la fermentació alcohòlica, en què l àcid pirúvic es descarboxila i es transforma en acetaldehid que és posteriorment reduït pel NADH a etanol. Aquest tipus de fermentació la realitzen els llevats del gènere Saccharomyces, que són anaerobis facultatius de gran interès en la indústria alimentària pels productes residuals del seu metabolisme: el CO 2 per esponjar la massa de pa (S. cerevisiae), i l etanol per produir begudes alcohòliques com ara cervesa, whisky, rom (S. cerevisiae), vi (S. ellypsoideus), sidra (S. apiculatus), etc. Llevats Saccharomyces 124

11 FERMENTACIÓ LÀCTICA. En aquesta fermentació es forma àcid làctic a partir de la degradació del piruvat. Primer es duu a terme la glicòlisi, en la qual s'obtenen 2 ATP i se'n produeixen dos NADH, i després, la fermentació làctica per regenerar coenzims oxidats (NAD + ) i evitar que el procés s'aturi perquè n'hi faltin. Alguns dels microorganismes que fan aquesta fermentació són els bacteris Lactobacillus casei, L. bulgaricus, L. bifidum, Streptococcus lactis, Leuconostoc citrovorum, etc. D aquests s'obtenen productes derivats de la llet com ara el formatge, el iogurt i el quefir, degut a la fermentació de la lactosa de la llet que la fa tornar agra i produeix la coagulació de la proteïna caseïna. També es produeix en les cèl lules musculars dels animals quan no hi ha prou oxigen per efectuar un sobreesforç físic i l'àcid pirúvic procedent de la glicòlisi no es pot oxidar de manera aeròbica i es transforma en àcid làctic. L'acumulació d'àcid làctic dóna lloc a la formació d'uns petits cristalls que punxen el múscul i produeixen el cruiximent dels músculs. Exercici anaeròbic (cursa de 100 m) 125

12 BLOC I: BIOQUÍMICA 126

13 1. Completa la taula que resumeix el balanç energètic del catabolisme d una molècula de glucosa per via aeròbica: COMPARTIMENT CEL LULAR Membrana PROCÉS Citoplasma Matriu mitocondrial mitocondrial Glucòlisi ATP NADH 2 x ATP ATP ATP D.O.P. 2 x NADH 2 x ATP ATP 2 x ATP ATP Cicle de Krebs 2 x NADH 2 x ATP ATP 2 x FADH 2 2 x ATP ATP Balanç energètic global (per cada molècula de glucosa) 38 ATP 2. El següent esquema sintetitza la ruta metabòlica de la glicòlisi. a) En quin compartiment cel lular es duu a terme? b) Escriu el nom dels compostos que hi trobem. c) Fes un recompte dels ATP i NADH que s hi produeixen i dels que es consumeixen. Indica el rendiment net per cada molècula que entra. 127

14 BLOC I: BIOQUÍMICA 3. a) Quin procés s hi troba representat en el següent esquema? b) On es duu a terme? c) Completa la reacció i indica el nom de tots els compostos. 4. a) Quin procés s hi troba representat en el següent esquema? b) On es duu a terme? c) Completa la ruta amb els compostos que hi falten. d) Indica el rendiment net (per glucosa) d aquesta ruta. 128

15 5. Observa el següent esquema, que representa les rutes metabòliques que segueixen els glúcids en una cèl lula muscular. a) Indica el número que correspon a: Glicòlisi Cadena respiratòria Hidròlisi del glicogen Cicle de Krebs Descarboxilació oxidativa del piruvat Fermentació b) Marca-hi en vermell la ruta que segueix la glucosa en condicions anaeròbies. c) Marca-hi en blau la ruta que segueix la glucosa en condicions aeròbies. d) Quins números corresponen a rutes anabòliques. e) Quin tipus de respiració fa aquesta cèl lula? f) Quin tipus de fermentació fa aquesta cèl lula? 129

16 BLOC I: BIOQUÍMICA 6. Estem estudiant el consum de glucosa d unes cèl lules musculars mantingudes en cultiu. Per a això, en diferents recipients hi col loquem un mateix nombre de cèl lules i a cada un hi afegim 5 mg de glucosa. En un primer experiment, incubem tots els recipients a 37ºC però amb concentracions d oxigen diferents. Deu minuts més tard estudiem la concentració de glucosa que ha quedat en el medi. Els resultats s expressen a la taula: Recipient A B C D E Concentració d oxigen durant l experiment (unitats arbitràries) Quantitat de glucosa al medi al final de l experiment (mg) 0, ,5 Glucosa consumida durant l experiment (mg) a) Completa la taula anterior calculant la quantitat de glucosa consumida per les cèl lules de cada recipient. b) Representa gràficament la quantitat de glucosa consumida en funció de la concentració d oxigen durant l experiment. 130

17 c) Fes un esquema del metabolisme, com el de l exercici 5, que expliqui com consumeixen la glucosa les cèl lules del recipient A i les del recipient E. En quin dels dos recipients s obté més quantitat d energia per cada molècula de glucosa? 7. a) En què consisteix la fosforilació a nivell de substrat? On es dóna? b) Quina altra manera de produir ATP coneixes. Explica el procediment. 8. Explica què són les fermentacions, quins tipus coneixes i quina és la seva finalitat. Realitza un esquema per il lustrar la teva explicació. 131

18 BLOC I: BIOQUÍMICA Indica la resposta correcta. 1.. Identifica la via catabòlica que no es localitza en els mitocondris: 5.. El procés de formació d ATP en els mitocondris rep el nom de: a Glicòlisi. b Cadena respiratòria. c Cicle de Krebs. d β-oxidació dels àcids grassos. Totes les anteriors es localitzen e als mitocondris. 2.. L acceptor final d electrons en els processos respiratoris és sempre: a CO 2. b O 2. c H 2 O. d Un compost orgànic. e Un compost inorgànic. a Fotofosforilació. b Fosforilació oxidativa. c Fosfatofixació. d Mitofosforilació e Fosforilació a nivell de substrat. 6.. Els compostos que són oxidats en les fermentacions poden ser: a Glucosa. b Disacàrids. c Lactosa. d Tots els anteriors són correctes. Les fermentacions no són e processos oxidatius. 3.. En els processos fermentatius el donador d electrons és sempre: a CO 2. b O 2. c H 2 O. d Un compost orgànic. e Un compost inorgànic. 4.. En els processos fermentatius l acceptor final d electrons és sempre: a CO 2. b O 2. c H 2 O. d Un compost orgànic. e Un compost inorgànic. 7.. En última instància, els productes finals resultats de la respiració aeròbia són: a CO 2 i H 2 O. b Matèria orgànica, CO 2 i H 2 O. c ATP, CO 2 i H 2 O. d ATP, matèria orgànica i CO 2. e Compostos orgànics degradats. 8.. L alliberació d ATP, com energia utilitzable per les cèl lules, té lloc en la fase següent: a Glicòlisi. b Cicle de Krebs. c Cadena respiratòria. d Totes les anteriors. e Cap de les anteriors. 132

19 9.. Quin dels següents compostos no es troba dintre dels mitocondris: a ADN. b ATP. c CO 2. d Enzims glicolítics. e Enzims del cicle de Krebs El paper catabòlic més important, des del punt de vista energètic, el duen a terme: a Els glúcids. b Els lípids. c Les proteïnes. d Els àcids nucleics. e És semblant en tots els anteriors La ruta comuna a la degradació o oxidació de glúcids, lípids i proteïnes és a La glicòlisi. b El cicle de Krebs. c La fermentació. d β-oxidació. Descarboxilació oxidativa del e piruvat Respecte de la fermentació làctica, indica l afirmació INCORRECTA: a És un procés anaerobi. b La poden realitzar els bacteris. Rendeix menys energia que la c respiració aeròbia. Se n obtenen 2 ATP en la cadena d respiratòria. Per cada molècula de glucosa se e n obtenen dos d àcid làctic La fosforilació a nivell de substrat es produeix en: a La glicòlisi. b El cicle de Krebs. c La fermentació. d En tots els anteriors. e En cap dels anteriors El compost en què es transforma l acceptor final d electrons en una cadena respiratòria és: a - Nitrit (NO ). b Aigua (H 2 O). c Àcid sulfhídric (H 2 S). 2- d Sulfit (SO ). 2 3 e Qualsevol dels anteriors i més. 133