1. ANABOLISME AUTÒTROF

Transcripción

1 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics L'anabolisme és la part del metabolisme mitjançant la qual les cèl lules obtenen molècules complexes (polisacàrids, lípids, proteïnes o àcids nucleics) a partir de components més senzills. Si les molècules inicials són inorgàniques (CO 2, H 2 O, nitrats, sulfats, etc.), s anomena anabolisme autòtrof, mentre que si són orgàniques (glucosa, aminoàcids, nucleòtids, etc.), s anomena anabolisme heteròtrof i es dóna en tots els organismes. L energia necessària per duu a terme les reaccions anabòliques serà aportada per l ATP generat en les reaccions del catabolisme o en la primera fase de la fotosíntesi. 1. ANABOLISME AUTÒTROF L anabolisme autòtrof es caracteritza perquè parteix de molècules inorgàniques que són convertides en matèria orgànica. Segons la font energètica per realitzar aquesta transformació de la matèria, es poden diferenciar dos tipus d anabolisme autòtrof: La fotosíntesi: procés pel qual es transforma energia lumínica del Sol en energia química en forma d ATP i que permet a les plantes, algues, cianobacteris i bacteris fotosintètics produir matèria orgànica a partir de compostos inorgànics. La quimiosíntesi: anabolisme autòtrof que es produeix gràcies a l aprofitament de l energia despesa en reaccions d oxidació i que tan sols la poden fer alguns bacteris. Tots aquests organismes no depenen dels altres per viure, ja que poden colonitzar llocs sense vida (auto significa per si mateix i trofo, alimentació ). Aquests possibiliten la vida dels altres organismes (animals, fongs, protozous i bacteris heteròtrofs). 2. FOTOSÍNTESI: LLUM I PIGMENTS La fotosíntesi és possible gràcies a l existència en les membranes tilacoïdals del cloroplast d unes molècules, anomenades pigments fotosintètics, capaces de captar l energia lluminosa. Entre aquests pigments es troben les clorofil les (clorofil la a, clorofil la b i bacterioclorofil la), els carotenoides (carotens i xantofil la) i les ficobilines (ficocianina i ficoeritrina). A començaments del segle XX, Albert Einstein va proposar que la llum es deu al moviment ondulatori d unes partícules anomenades fotons, l'energia dels quals es inversament proporcional a la longitud d'ona de la llum. La longitud d ona (λ) és la 135

2 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA distància entre dues ones consecutives. La llum visible, els colors, es troben entre els 400 i 750 nm de longitud d ona (un nanòmetre és la mil lèsima part d un mil límetre). Aquesta fracció de l espectre de radiació electromagnètica (llum) és la font d energia que manté activa la biosfera. Els pigments fotosintètics, en captar els fotons, augmenten el seu estat energètic (s exciten) ja que es produeix una redistribució dels electrons en les seves òrbites. Quan la molècula de pigment torna al seu estat inicial, allibera part d aquesta energia extra que havia adquirit a una molècula contigua. Com que hi ha diverses molècules de pigments, l excitació passa d una molècula a una altra. La llum que incideix sobre una fulla es compon d una gran varietat de longituds d ona, de manera que la presència de pigments amb diferents propietats d absorció garanteix que un percentatge elevat de fotons pugui estimular la fotosíntesi. Pel que sembla, la clorofil la b i els carotenoides poden fer passar l energia a la clorofil la a, de manera que la quantitat de llum disponible per a la fotosíntesi s incrementa. Les clorofil les capten l energia de la llum vermella, blava i violeta; els carotenoides capten la blava i verda. Els pigments fotosintètics actuen junts com una unitat fotosintètica que s anomena fotosistema, en la qual només una molècula del grup, la clorofil la del centre de reacció, actua transferint els electrons a un acceptor. La resta de molècules formen una mena d antena que atrapa fotons i transfereix l excitació per ressonància cap al centre de reacció, que actua com una autèntica trampa energètica alliberant els electrons cap a la cadena de transport electrònic de la membrana tilacoïdal. La fotosíntesi es divideix en dues fases: Fase lumínica o fotoquímica. Es produeix a la membrana tilacoïdal del cloroplast. En aquesta fase, l energia de la llum impulsa la formació de poder energètic, en forma d ATP, i poder reductor, en forma de NADPH. Fase fosca o biosintètica. Es produeix a l estroma del cloroplast. En aquesta fase, l energia de l ATP i el NADPH, obtinguts anteriorment, impulsen les reaccions per a la formació de compostos orgànics simples a partir de molècules inorgàniques. 136

3 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics 3. FOTOSÍNTESI: FASE LUMÍNICA En els processos que depenen de la llum, quan un fotó es capturat per un pigment fotosintètic, es produeix l excitació d'un electró, el qual es elevat des del seu estat basal a nivells d'energia superior, passant a un estat excitat. Després d'una sèrie de reaccions d òxido-reducció, l'energia s utilitza per sintetitzar ATP i NADPH. Els electrons que surten del centre de reacció fotoquímic poden seguir dos recorreguts: el flux no cíclic i un flux cíclic. FLUX NO CÍCLIC D ELECTRONS. En la fase lumínica cooperen dos fotosistemes: el fotosistema I (P700), que està associat a la clorofil la a i absorbeix a longituds d'ona de 700 nm; i el fotosistema II (P680), que absorbeix a una longitud d'ona de 680 nm. Ambdós fotosistemes treballen en sèrie transportant electrons a través d'una cadena similar a la de la respiració. Quan incideixen fotons en el fotosistema II, dos dels seus electrons assoleixen un nivell energètic alt i són transferit cap el fotosistema I, que prèviament haurà perdut també dos electrons per l efecte d altres fotons de la llum. Els electrons energètics del fotosistema I són captats per un acceptor anomenat ferredoxina i després per una molècula de NADP +, que es redueix a NADPH. Al mateix temps, es produeix la fotòlisi d una molècula d aigua, és a dir, s escindeix en 2e -, 2H + i ½ O 2. Aquests electrons seran captats pel fotosistema II per així restaurar els electrons que havia perdut. El bombeig de protons a l interior del tilacoide associat al trànsit d electrons genera un gradient electroquímic que crea la força protó-motriu capaç d impulsar la síntesi d ATP quan els protons tornen a l estroma a través de les ATP sintetases. Es produeix, per tant, una fotofosforilació. Com a subproducte de tot el procés queda lliure un àtom d oxigen. 137

4 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA FLUX CÍCLIC D ELECTRONS. El flux cíclic d'electrons té lloc en alguns eucariotes i bacteris fotosintètics primitius quan necessiten un subministrament addicional d ATP o quan al medi no hi ha NADP + que pugui ser reduït a NADPH. En el flux cíclic d electrons intervé únicament el fotosistema I i es denomina cíclic perquè els electrons que surten de la clorofil la torna de nou a les mateixes molècules. L única finalitat d aquest flux es formar un mica més d ATP, necessari per compensar el dèficit que es produiria durant la fase fosca, però no produeix NADPH. El procés s inicia amb l absorció de l energia dels fotons per part del fotosistema I, continua amb la transferència de l electró a la ferredoxina. Aquesta cedeix els electrons al citocrom b 6 f, amb la qual cosa es tanca el cicle. Ni es redueix ha NADP + ni es trenquen molècules d aigua, però continua havent bombeig de protons i, per tant, es continua acumulant l energia que farà possible la síntesi d ATP. 4. FOTOSÍNTESI: FASE FOSCA En la fase fosca o de biosíntesi, s utilitza l energia en forma d ATP i el poder reductor en forma de NADPH obtinguts en la fase lumínica per aconseguir la fixació de carboni atmosfèric en forma de CO 2 en una molècula orgànica i produir així glúcids senzills. Les reaccions d aquesta fase es produeixen independentment que hi hagi llum o no, però sí requereixen molècules de NADPH i ATP, que només es formen en presència de llum. La fixació del CO 2 té lloc a l estroma del cloroplast gràcies a una sèrie de reaccions cícliques que reben el nom de cicle de Calvin. El procés continua al citoplasma cel lular, on es produeixen glúcids que podran ser exportats a altres cèl lules com a font d aliment. L enzim rubisco (ribulosa bifosfat carboxilasa-oxidasa) és el més important en el procés de fixació de CO 2. Com que va molt lent, només és capaç de fixar tres molècules de CO 2 per segon davant de les mil molècules que és capaç de processar qualsevol altre enzim, s ha de trobar en gran quantitat dins del cloroplast. La rubisco probablement constitueix la proteïna més abundant del planeta. 138

5 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics En el cicle de Calvin es duen a terme tres passos fonamentals: ❶ Fixació del CO 2. A l estroma del cloroplast, el CO 2 atmosfèric s uneix a la pentosa ribulosa-1,5-difosfat gràcies a l enzim rubisco, i dóna lloc a un compost inestable de sis carbonis, que es dissocia en dues molècules d àcid 3-fosfoglicèric amb tres àtoms de carboni (per això el cicle de Calvin també s anomena via C 3 ). ❷ Reducció del CO 2 fixat. Amb l energia de l ATP i el poder reductor del NADPH, l àcid 3-fosfoglicèric es redueix a gliceraldehid 3-fosfat, que podrà tenir dos camins: regenerar ribulosa-1,5-difosfat o biosintetitzar molècules orgàniques. ❸ Regeneració de la ribulosa-1,5-difosfat. A partir del gliceraldehid 3-fosfat format en el pas anterior i per mitjà d un procés complex es duu a terme la regeneració de la ribulosa-1,5-difosfat. Per cada sis gliceraldehids, cinc regeneren tres ribuloses i un se n va a la síntesi de biomolècules. El balanç global del cicle de Calvin per produir una molècula de gliceraldehid-3-fosfat (molècula de tres àtoms de carboni) és: 3 CO NADPH + 9 ATP Gliceraldehid-3-fosfat + 6 NADP ADP + 8 P i Recorda que la fotosíntesi serveix també per fixar compostos de nitrogen i sofre. 139

6 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA FOTORESPIRACIÓ. Una característica de l enzim rubisco és que, a més de catalitzar la carboxilació de la ribulosa-1,5-difosfat, també produeix la seva oxigenació. Aquest procés, que s anomena fotorespiració, dóna com a resultat l'alliberament de CO 2 i producció d ATP després d'una sèrie de reaccions enzimàtiques en els mitocondris i els peroxisomes. La fotorespiració redueix l eficàcia de la fotosíntesi, ja que el CO 2 i el O 2 competeixen entre si, de manera que quan la concentració de CO 2 disminueix, el O 2 s uneix a la rubisco 5. FACTORS QUE INFLUEIXEN EN LA FOTOSÍNTESI En tots els processos químics hi ha factors de caràcter ambiental que en condicionen el rendiment. S ha pogut comprovar experimentalment que en la fotosíntesi influeixen els factors següents: La temperatura. Com més alta és la temperatura, amb més eficàcia actuen els enzims i el rendiment de la fotosíntesi és més alt, però si la temperatura és massa alta, els enzims es desnaturalitzen i deixen de funcionar. La concentració de CO 2. Si la intensitat lluminosa és elevada i constant, el rendiment de la fotosíntesi augmenta en relació directa amb la concentració de CO 2 a l aire, fins a arribar a un límit, a partir del qual el rendiment s estabilitza. La concentració d O 2. Com més concentració d oxigen a l aire, menys rendiment fotosintètic, a causa dels processos de fotorespiració. El temps d il luminació. En general, com més hores de llum, més producció fotosintètica, encara que hi ha espècies que necessiten alternar-les amb hores de foscor. 140

7 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics La intensitat lluminosa. Cada espècie està adaptada a viure dins d un interval d intensitat de llum. Hi ha espècies de penombra (esciòfiles) i espècies de sol (heliòfiles). Dins de cada interval, com més intensitat lluminosa, més rendiment tenen, fins a superar determinats límits, en els quals es produeix la fotooxidació irreversible dels pigments fotosintètics. N hi ha espècies, com les gramínies, adaptades a climes secs i càlids, que mai no arriben a la saturació lumínica. El color de la llum. La clorofil la a i la clorofil la b absorbeixen energia lumínica a la regió blava i vermella de l espectre; els carotens i les xantofil les, a la blava; les ficocianines, a la taronja; i les ficoeritrines, a la verda. La llum verda és la menys aprofitable pels organismes mancats de ficocianines i ficoeritrines. Si la longitud d ona és superior a 680 nm (vermell llunyà), no actua el fotosistema II i, en conseqüència, tan sols hi ha fase lluminosa cíclica, i el rendiment fotosintètic disminueix sensiblement. L escassetat d aigua. Si hi ha manca d aigua, el rendiment fotosintètic disminueix degut a que els estomes es tanquen per evitar la dessecació i, per tant, es dificulta l entrada de CO 2. A més, l augment de la concentració d oxigen intern provoca la fotorespiració. 6. ANABOLISME HETERÒTROF L anabolisme heteròtrof és el conjunt de rutes metabòliques encarregades de sintetitzar molècules complexes a partir de molècules orgàniques senzilles (molècules precursores). Es duu a terme tant en les cèl lules autòtrofes com en les heteròtrofes. Les molècules orgàniques senzilles precursores poden provenir: Del catabolisme (hidròlisi) de substàncies de reserva. De la digestió dels aliments orgànics. De la fotosíntesi o de la quimiosíntesi. 141

8 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA L anabolisme heteròtrof és un procés de reducció. L energia necessària per a construir les molècules s obté de la desfosforilació de molècules d ATP. Aquest ATP procedeix del catabolisme i, en organismes autòtrofs, a més, de la fotosíntesi o de la quimiosíntesi. Moltes reaccions de les vies anabòliques són les mateixes que en les reaccions de les vies catabòliques però en sentit invers. Però hi ha algunes que, encara que són semblants a les de les vies catabòliques, no són iguals. Llavors és necessària l actuació de dos enzims diferents, un per a cada sentit de la reacció. Això permet a la cèl lula poder regular el seu metabolisme. Les vies de síntesi de glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics estan interrelacionades, per la qual cosa, es pot sintetitzar un tipus de biomolècula a partir d'un altre tipus. Per exemple, els animals herbívors poden sintetitzar proteïnes i lípids (carn i llet) a partir de glúcids (herba). No totes les interrelacions són possibles; per exemple, els animals no podem obtenir glúcids a partir d'una dieta exclusiva de lípids i proteïnes. La major part de les vies anabòliques heteròtrofes es donen en el citosol; però hi ha excepcions, com per exemple: La síntesi d'àcids nucleics, que es dóna en el nucli, als cloroplasts i als mitocondris. La síntesi de proteïnes, que es dóna als ribosomes. La síntesi de fosfolípids i colesterol, que es dóna al reticle endoplasmàtic. La glicosilació de lípids i proteïnes, que es dóna també al reticle endoplasmàtic i continua en l'aparell de Golgi. 7. ANABOLISME HETERÒTROF DELS GLÚCIDS En la síntesi de glúcids podem diferenciar dos processos: 1. Obtenció de glucosa. En cèl lules animals i vegetals, la glucosa es pot obtenir a partir de molècules resultants del catabolisme mitjançant un procés anomenat gliconeogènesi. En cèl lules autòtrofes, a més, es pot obtenir a partir d un procés que s origina en el cicle de Calvin. En les cèl lules animals es pot obtenir a partir de la digestió. 2. Obtenció de polímers de glucosa (glicogen o midó, principalment). En les cèl lules vegetals se sintetitza midó mitjançant un procés anomenat amilogènesi. En les cèl lules animals se sintetitza glicogen per un procés anomenat glicogenogènesi. 142

9 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics GLUCONEOGÈNESI. La gluconeogènesi és un procés de síntesi de glucosa a partir de piruvat, tot i que no totes les reaccions són inverses a les de la glicòlisi (que és la via de degradació de la glucosa a piruvat). Les reaccions que són diferents són les següents: Pas de piruvat a fosfoenolpiruvat, que no es fa directament sinó en dues fases: El piruvat entra al mitocondri on és transformat en oxalacetat, un intermediari del cicle de Krebs. Aquesta és una reacció de carboxilació (el piruvat té 2 C i l'oxalacetat 3 C) i consumeix 1 ATP. L'oxalacetat no pot sortir directament del mitocondri: és transformat en malat, que sí pot sortir i, un cop fora, es torna a convertir en oxalacetat. L'oxalacetat, ja al citoplasma, és transformat en fosfoenolpiruvat en una reacció de descarboxilació que consumeix 1 GTP (equivalent a 1 ATP). Pas de fructosa-1,6-difosfat a fructosa-6-fosfat, catalitzat per un enzim diferent al de la glicòlisi, en aquest cas la fructosa-1,6-difosfatasa. A aquesta reacció el Pi és alliberat i no es pot utilitzar per a fosforilar un ADP a ATP. Pas de glucosa-6-fosfat a glucosa, catalitzat també per un altre enzim diferent de la glicòlisi, la glucosa-6-fosfatasa, que també allibera el Pi i no l'utilitza per fosforilar un ADP. 143

10 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA Per tal de sintetitzar una molècula de glucosa calen: 2 piruvat. 4 ATP + 2 GTP = 6 ATP. 2 NADH. La glucosa pot ser sintetitzada a partir de diferents compostos que s'incorporen a la gliconeogènesi a diferents punts: Lactat: passa a piruvat en la reacció catalitzada per la lactat deshidrogenasa (és la reacció inversa a la fermentació). A aquesta reacció es genera 1 NADH. Alguns aminoàcids, per exemple l'alanina, que entra al mitocondri on és transformada en piruvat; altres aminoàcids són convertits en intermediaris del cicle de Krebs, de manera que poden passar finalment a oxalacetat. Glicerina, que passa a dihidroxiacetona-fosfat. Els animals no poden utilitzar àcids grassos per a sintetitzar glucosa ja que la síntesi de piruvat a partir d'acetil-coa és impossible (cal tenir en compte que l'acetil-coa que entra al cicle de Krebs surt en forma de CO 2 i, per tant, no és útil per a reaccions anabòliques). Això no obstant, als glioxisomes de les llavors de les plantes l'acetil-coa es pot transformar en succinat, un intermediari del cicle de Krebs que entra al mitocondri i passa a oxalacetat. GLICOGENOGÈNESI I AMILOGÈNESI. L'excés de glucosa és emmagatzemat en forma de glicogen, a les cèl lules animals, o de midó a les vegetals. La síntesi de glicogen s anomena glicogenogènesi i la síntesi de midó, amilogènesi. En essència, el procés és el següent: S'inicia a partir de la glucosa-6-fosfat que passa a glucosa-1-fosfat per acció de l enzim mutasa. La glucosa-1-fosfat és activada per unió a un nucleòtid, UDP al cas del glicogen i ADP al midó. Es forma així UDP-glucosa o ADPglucosa, respectivament. Les unitats de glucosa activada s'uneixen per a formar els polímers corresponents, glicogen o midó, mitjançant enllaços α(1 4). A les ramificacions participa un enzim especial que forma enllaços α(1 6). 144

11 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics 1. Observa l esquema i completa els requadres: Fotosíntesi Respiració Anabolisme Catabolisme Autòtrofs - Llum - Heteròtrofs - Compostos orgànics simples - Sals minerals Glúcids - Lípids - Proteïnes - Àcids nucleics - Altres molècules 2. Tots els organismes autòtrofs són fotosintètics? Justifica la teva resposta amb exemples. 3. Comenta la veracitat o falsedat de les següents afirmacions: a) Les plantes només fotosintetitzen de dia i només respiren de nit. b) Les cèl lules animals tenen mitocondris; les vegetals, en canvi, no tenen mitocondris sinó cloroplasts. 145

12 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA 4. Algunes plantes tenen fulles que no són de color verd, com per exemple, les fulles vermelles d algunes plantes decoratives i les acícules blavoses d alguns pins. Fan la fotosíntesi aquestes fulles? 5. Amb la informació del gràfic, completa la taula indicant-hi quins pigments poden prestar un màxim d absorció a les longituds d ona que hi figuren i el color d aquestes longituds d ona. λ (nm) Color de la llum Pigments més eficients

13 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics 6. Completa l esquema del cicle de Calvin amb el nom dels metabòlits que hi falten i el nombre de molècules de cada un necessàries per assimilar tres molècules de CO 2 : 7. Identifica i explica el procés representat en l esquema següent: 147

14 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA 8. Indica a quina fase de la fotosíntesi, lumínica o cicle de Calvin, tenen lloc els processos següents i explica breument els subratllats: FL CC Consum d ATP FL CC Reducció del CO 2 FL CC Fotòlisi de l aigua FL CC Formació de coenzims reduïts FL CC Síntesi d ATP FL CC Oxidació de coenzims FL CC Cadena transportadora d electrons FL CC Oxidació de la clorofil la 9. El transport d electrons en la cadena respiratòria és un procés a favor de corrent, ja que va d una molècula (NADH), que els atrau amb poca força, fins a una en què estan molt atrets (H 2 O). Això explica que l energia que sobra doni lloc a ATP. En canvi, en la fase lluminosa acíclica el procés és a contra corrent: els electrons van des del H 2 O fins al NADP +, i malgrat això també se sintetitza ATP. Quina explicació té? 10. Per què l àcid pirúvic entra al mitocondri per a iniciar la gliconeogènesi? 11. Per quina raó la gliconeogènesi té processos en els quals l àcid oxalacètic passa a àcid màlic i de nou a àcid oxalacètic? 12. Quina molècula activa la glucosa per a formar glicogen? És la mateixa que actua com a activadora de la glucosa en la formació de midó? 148

15 BLOC I: BIOQUÍMICA Tema 9: Processos Anabòlics Indica la resposta correcta. 1.. Durant la fase lumínica de la fotosíntesi NO es produeix: 5.. Quina de les següents afirmacions és correcta?: a Fotòlisi de l aigua. b Alliberament d oxigen. c Transport d electrons. d Síntesi de NADPH i ATP. e Assimilació de CO 2 atmosfèric. 2.. En quin procés de la fotosíntesi obtenen les plantes el NADPH?: a En el flux cíclic d electrons. b En el cicle de Calvin. c En el flux no cíclic d electrons. d En la cadena respiratòria e En el cicle de Krebs. a b c d e En augmentar la concentració d O 2, augmenta la fotosíntesi. En augmentar la concentració de CO 2, augmenta la fotosíntesi. Si les plantes s il luminen amb llum verda, augmenten la fotosíntesi. Existeixen plantes que viuen en coves sense llum perquè, en lloc de fotosíntesi, fan quimiosíntesi. Si una planta té falta d aigua, augmenta el ritme fotosintètic. 6.. L acceptor final d electrons en el flux no cíclic de la fotosíntesi és: 3.. Quina de les següents afirmacions és correcta?: Les plantes realitzen la a fotofosforilació però no la fosforilació oxidativa. Les plantes realitzen el cicle de b Calvin però no el de Krebs. Els animals realitzen el cicle de c Krebs però no el de Calvin. Les plantes respiren de nit i d fotosintetitzen de dia. e Les respostes c i d són correctes. 4.. Per fotosintetitzar una glucosa cal: a 2 NADPH i 3 ATP. b 6 NAPH i 9 ATP. c Molècules de clorofil la. d 18 ATP. e 6 CO 2, 6 NAPH i 9 ATP. a NADH. b Ribulosa-1,5-difosfat. c Gliceraldehid-3-fosfat. d NADP +. e ATP. 7.. El donador d electrons en la fase lumínica de la fotosíntesi és: a O 2. b H 2 O. c NADH d NADPH. e FAD Per sintetitzar una glucosa pel procés de la gliconeogènesi cal: a 2 NADH i 2 ATP. b 2 NADH i 4 ATP. c 2 NADH i 6 ATP. d Llum. e NADPH i ATP. 149

16 Tema 9: Processos Anabòlics BLOC I: BIOQUÍMICA 150