EL METABOLISME CEL.LULAR: CATABOLISME

17 EL METABOLISME CEL.LULAR: CATABOLISME 1. Catabolisme: Concepte i tipus. 2. Catabolisme dels glúcids. 2.1 La glucòlisi 2.2 La respiració cel lular 2.3 Les fermentacions 3. Catabolisme dels lípids. 4. Catabolisme de les proteïnes. 5. Catabolisme dels àcids nucleics. IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 1

1 EL CATABOLISME. CONCEPTE i TIPUS. El concepte i tipus de catabolisme. 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 (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 : 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. 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 reacions catabòliques són reaccions redox Els àtoms d hidrògen despresos en les reaccions d oxidació reducció seran captats per unes molècules anomenades transportadors d hidrògens, com són: - NAD+ (nicotinamida-adeninadinucleòtid) - NADP+ (nicotinamida-adeninadinucleòtid fosfat) - FAD (Flavina-adeninadinucleòtid) Aquests transpassen els hidrògens la molècula acceptora final d hidrògens, que es redueix 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: La molècula que es redueix és un compost inorgànic, que pot ser: - Respiració aeròbica: O 2 - Respiració anaeròbia: NO 3, SO 4 - etc b) Fermentació: La molècula que es redueix és sempre orgànica 2 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

L alliberació gradual de l 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. L alliberació gradual de l energia és possible gràcies a les següents característiques: - Reaccions successives. En el catabolisme les reaccions ocorren una després de l altra 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 amb protons (formant àtoms d hidrogen) que passen a un coenzim, generalment NAD+, que actua com a transportador. - Cadena transportadora d electrons. El 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 (H 2 O). L energia que s allibera s utilitza per a formar ATP. IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 3

2 CATABOLISME DELS GLÚCIDS 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 glucòlisi i la respiració. En la respiració es distingeixen dos processos, el cicle de Krebs i el transport d'electrons en la cadena respiratòria. 2.1 LA GLUCÒLISIS També s'anomena ruta metabòlica d'embden-meyerhoff. en la qual la glucosa s ' escindeix en dues molècules de piruvat. Les molècules de piruvat podran després ser degradats per processos aerobis (respiració) o anaerobis (fermentació). Així doncs la glucòlisi és una ruta comuna per ambdós tipus de processos. Aquesta primera fase del catabolisme glucídic és totalment anaeròbia, ja que no necessita la presència d'oxigen, La glucòlisi es fa al citoplasma cel. lular i la duen a terme tots els organismes. DESTÍ DEL PIRUVAT IMPORTANT. RECORDAU que la glucòlisi és una via comuna a diferents rutes metabòliques. El piruvat format pot seguir després dues viues: En condicions aeròbies: Respiració. En condicions anaeròbies: Fermentació La glucòlisi es pot subdividir en dues fases: A la primera, fase d activació, hi ha despesa energètica (consum d ATP) i a la segona es crea energia (fabricació d ATP) Fase A o d activació 1. La glucosa, en entrar a la cèl lula, es fosforila a glucosa-6-fosfat gràcies al consum d'una molècula d'atp. És una reacció irreversible en la qual la glucosa s uneix a un grup fosfat per a formar glucosa-6-fosfat. Aquest pas està 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. 3. La fructosa-6-fosfat es fosforila a fructosa-1,6-bisfosfat gràcies a una altra molècula d' ATP. Aquesta reacció és irreversible, està catalitzada per la fosfofructoquinasa i és la més ben regulada de la ruta glucolítica i determinada el ritme de la glucòlisi. 4. La fructosa-1,6-bisfosfat es trenca en dues molècules: la gliceraldehid-3-fosfat i la dihidroxiacetona-fosfat, totes dues de tes carbonis cadascuna. 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. Fase B o de generació d energia 6. El gliceraldehid-3-fosfat es fosforila gràcies a un grup fosfòric inorgànic i s'oxida, i així es forma 1,3-bisfosfoglicerat. Els hidrògens perduts van a parar al coenzim NAD +, que es redueix a NADH + H +. És una reacció reversible. 7. L 1,3-bisfosfoglicertat es desfosforila, i així es transforma en àcid 3-fosfoglicerat i es forma una molècula d ' ATP. És una reacció reversible. 4 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

8. Isomerització del 3-fosfoglicerat amb el pas d un grup fosfòric al carboni 2, i d'aquesta manera s'obté 2-fosfoglicerat. 9. Deshidratació del 2-fosfoglicerat, amb pèrdua d una molècula d aigua, i formació de fosfoenolpirúvat. 10. Desfosforilació del fosfoenolpiruvat amb obtenció, com a producte final, de piruvat i una molècula d' ATP. Està regulada per la piruvatquinasa i és un dels punts de control de la glicòlisi. El piruvat 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 per una via aeròbia o anaeròbia: - En condicions d oxigenació normal, la majoria dels casos, el piruvat passarà a acetil-caa, que entrarà en el cicle de Krebs (o cicle dels àcids tricarboxílics). És la via aeròbia. - En absència d oxigen el piruvat entra en les rutes fermentatives (vies anaeròbies) que són vies metabòliques molt diferents segons els tipus d éssers vius. El balanç final de la glucòlisi 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 Incroporació d altres monosacàrids a la glucòlisi IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 5

(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 empram les fórmules ciclades (projecció de Haworth) ni se representen els àcids orgànics dissociats, malgrat convé precisar que, en realitat, en el medi cel lular, les hexoses estan ciclades, i els àcids, dissociats.) 6 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

2.2 LA RESPIRACIÓ CEL.LULAR. Via aeròbia Consideracions generals El terme respiració s empra generalment per expressar la funció de captació d oxigen de l aire o de l aigua i la eliminació del CO 2 per part de l organisme. D aquesta manera es proporciona O 2 a les cèl.lules i s elimina el CO 2. Per què necessiten oxigen les cèl lules? La resposta rau en què la respiració serveix per a obtenir energia de les molècules orgàniques, mitjançant la combustió, és a dir la transformació amb O 2 fins a la oxidació a CO 2 i H 2 O La respiració cel lular és un procés metabòlic, un conjunt de transformacions químiques o seqüència 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 protoctistes. En les eucariotes, les etapes centrals del procés es desenvolupen als mitocondris. En els protoctistes 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 aerobia cedeixen electrons a l oxigen molecular a través dels intermediaris, com el NADH i el FADH 2. Durant aquesta cessió es produeix ATP. Els productes finals són H 2 O i CO 2 Els principal combustibles emprats són els glúcids, especialment la glucosa, i els àcids grassos. Altres molècules com els aminoàcids també són catabolitzats per respiració. La respiració cel lular es pot dividir en tres fases: Primera fase: 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 cos carbonis, l acetat. L acetat és activat pel coenzim A mitjançant enllaç tioéster d alta energia. Tant els àcids grassos com la glucosa i alguns aminoàcids formaran aquest intermediari metabòlic, l acetilcoenzim A o acetil CoA, que és un punt de connexió de les rutes catabòliques en que les molècules orgàniques s han oxidat parcialment. Segona fase: cicle de krebs o cicle de l àcid cítric. L acetil coa es condensarà amb 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. El cicle, per tant, catalitza la descomposició d una molècula d àcid acètic en cada volta. Tercera fase: cadena de transport 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 s l O2. Acoblada a aquesta cadena es forma ATP a partir d ADP + Pi IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 7

Fase 1: formació d acetil CoA 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. L'àcid pirúvic produït en la glucòlisi, perquè pugui ser oxidat per respiració, ha d'entrar a l'interior dels mitocondris travessant-ne la doble membrana. Per fer-ho, 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 àcetil-s-coa. 8 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

Fase 2: cicle de Krebs o de l àcid cítric El cicle de Krebs es desenvolupa a la matriu del mitocondri. El desenvolupament del cicle passa per les següents etapes: 1. L'acetil-CoA (2 C) se condensa amb l'oxalacetat (4 C) per formar citrat (6 C). 2. El citrat s'isomeritza a isocitrat. 3. L isocitrat es descarboxila i s oxida, de manera que perd hidrogens, 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, 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. 7. El fumarat s'hidrata i es transforma en malat. 8. El malalt s'oxida i es transforma en oxalacetat, amb la qual cosa es tanca el cicle. La reacció global del sistema piruvatdeshidrogenasa i del cicle de Krebs és (sense posar el CoA): CH 3 CO COOH + 2 H 2 O + 4 NAD + + FAD + GDP + Pi > 3CO 2 +4NADH +4H + +FADH 2 +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 glucòlisi 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. Funcions. Resumidament podem dir que el cicle de Krebs desenvolupa quatre funcions: - Oxidació de l acetil CoA, procedent del piruvat, fins a CO 2 - Obtenció de poder reductor NADH i FADH 2 dels que més endavant s obtindrà energia en forma d ATP, en la fosforilació oxidativa. - Obtenció d energia en forma de GTP, per fosforilació a nivell de substrat, que es convertible en ATP. - Obtenció de precussors 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 (es veurà més endavant) 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 sols els necessaris. IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 9

10 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

Fase 3: cadena transportadora d electrons i fosforilació oxidativa El balanç energètic de la glucòlisi 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 el NAD + i el FAD, que s ' han convertit en NADH + H + i FADH 2. L'anomenat transport d'electrons en la cadena respiratòria és la darrera etapa de la respiració. Té com a finalitat l'oxidació dels coenzimc reduïts (NADH + H + i FADH 2 ) 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 FADH 2. 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 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 FADH 2 ) 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 Cada transportador d ' electrons accepta electrons de la molècula anterior, és a dir se 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 FADH 2, 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 IV) englobats a la membrana, el cinquè és una petita molècula lipídica, la ubiquinona Q i el darrer una petita proteïna, el citocrom C. 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, reb electrons de diferents composts i els transmet a la CoQ IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 11

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 toben inclosos dins tota la membrana. - Complex III. Citocrom b-c 1, acepta 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 ambdos complexes. Els citocroms b i c són proteins amb un grup hemo (amb un àtom de ferro que actua com a transmissor d electrons). - Complex IV. Citocrom-oxidasa, transfereix els electrons a l O 2 per a formar H 2 O. Així doncs l O 2 és l acceptor final d electons. - Complex V. ATP-sintetasa actua com a canal de pas de protons des de l espai intermembranós fins a la matriu mitocondrial. Aquí se genera l energia per a la formació d ATP: 3 molècules d ATP per a cada NADH i 2 per a cada FADH 2 12 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

Fosforilació oxidativa En les membranes de la mitocondria, el complexe ATP-sintetasa catalitza la unió entre el fosfat inorgànic i l ADP. El model quevar explicar aquest procés va ser l hipòtesi quimiosmòtica de Mitchell (enunciada per Peter Mitchell l any 1961). 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. Aquest procés s ' anomena fosforilació oxidativa. Les ATP-sintetases estan formades per dues agrupacions protèiques, la F 0, o canal protèic, i la F 1, que sintetitza l ATP. El canal F 0 és la única via que permet el retorn dels protons (H+). Aquest pas de protons pel canal F 0 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 FADH 2 tan sols s'obtenen 2 ATP, ja que el FADH 2 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 FADH 2 en produeix 1,5 ATP. (aquests valors s han de prendre com a aproximats) Rendiment energètic del catabolisme per respiració de la glucosa IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 13

A l hora d analitzar el rendiment de la respiració d una molècula de glucosa cal tenir en compte que la glucòlisi 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 llençadores, que els traslladen a l interior del mitocondri. Aquestes llançadores són: a) Llençadora 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) Llençadora del glicerofosfat. Actua per exemple al múscul esquelètic i al cervell. Aquesta llençadera passa els electrons directament al cmplexe II, per tant sols es produeixen, per a cada NADH, 2 ATP. Els càlculs recents, que se basen en valors més ajustats consideren que es produeixen aproximadament 30 ATP per molècula de glucosa Regulació global de la respiració El pas de glucògen a glucosa està molt controlat per un esquema complexe de regulació, on hi intervenen hormones com l adrenalina, que en situacions d emergència (lluita, pànic...) se segrega a l escorça adrenal i desencadena una cascada de senyals en la que participa l AMP cíclic, que activa la glucogenòlisi per a proporcionar glucosa als músculs. El nivell de glucosa en sang se manté constant gràcies a la regulació que duen a terme les hormones pancreàtiques, glucagó i insulina. Altres punts de regulació del catabolisme de glúcids estan situats en la ruta glucolítica en les reaccions irreversibles catalitzades per enzims alostèrics. Els principals punt són els regulats per l hexoquinasa, a fosfofructoquinasa, i la piruvatquinasa. També al cicle de Krebs hi ha punts específics de control per assegurar que la ruta funciona correctament i possibilitar l oxidació dels diferents combustibles segons les necessitats. Els principals estan regulats per la citrat sintetasa, isocitrat deshidrogenasa, α- deshidrogenat sintetasa La regulació de l obtenció d energia a partir de glúcids i la síntesi de glucogen com a font de reserva, son claus per a que el metabolisme compleixi la seva equilibrada funció de proporcionar en cada instant l energia que necessita la cèl lula, ni més ni manco. El consum d alcohol i el catabolisme Se sap que els grans consumidors d'alcohol de begudes alcohòliques sovint sofreixen greus afeccions de fetge que els poden portar a la mort. Com es produeixen aquestes cirrosis hepàtiques? Quina relació té el metabolisme amb l'alcohol ingerit? De fa molt de temps es coneix que l etanol (CH 3 -CH 2 OH) é s oxidat a les cèl. lules hepàtiques a acetaldehid (CH 3 -CHO) en ún procés en el qual es forma una molècula de NADH + H+. Després l acetaldehid és oxidat a àcid acètic, i finalment aquest a diòxid de carboni (que s elimina a l exterior) i aigua. El consum continuat i excessiu d alcohol produeix 1 ' abundància de NADH d'origen etílic, que disminueixen els processos de la glucòlisi i del cicle de Krebs, que són els principals productors d aquest coenzim reduït. La conseqüència d'això és que els monosacàrids, els aminoàcids i els àcids grassos no es catabolitzen sinó que es converteixen en greixos que s acumulen a les cèl.lules hepàtiques que poca poc tendeixen a anar morint, produint l hepatitis alcohòlica i al final la cirrosi hepàtica. 14 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

2.3 LES FERMENTACIONS (via anaeròbia) Concepte de fermentació La fermentació és un procés catabòlic en el qual, a diferència de la respiració, no intervé la cadena respiratòria. A més, l'acceptor final de protons i d'electrons no és una molècula inorgànica, sinó que és un compost orgànic, per la qual cosa la fermentació sempre dóna algun compost orgànic entre els seus productes. A la fermentació, com que la cadena respiratòria no hi intervé, no es pot utilitzar l'oxigen de l'aire com a acceptor d'electrons, i per tant, sempre és un procés anaeròbic. ALERTA 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'aire (CH CH2OH + O2 > CH3COOH + H2O), quan en realitat és una respiració aeròbica d'oxidació incompleta. No hi ha síntesi d'atp en les ATP-sintetases; tan sols hi ha síntesi d'atp en substrat Això explica la baixa rendibilitat energètica de les fermentacions. Per exemple, una glucosa, quan es degrada, produeix 38 ATP per mitjà de la respiració i tan sols 2 ATP per mitjà de la fermentació. Els coenzims reduïts (NADH + + H + ) que es formen quan s'inicia l'oxidació del substrat en les fermentacions, com que no es poden oxidar en la cadena respiratòria, han de ser consumits al final d'aquestes per evitar el bloqueig del procés per falta de coenzims oxidats (NAD + ). Les fermentacions són pròpies dels microorganismes (determinats llevats i 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. Segons quina sigui la naturalesa del producte final, es distingeixen diversos tipus de fermentacions. Les més importants són la fermentació alcohòlica, la fermentació làctica, la fermentació butírica i la putrefacció. Fermentació alcohòlica És la transformació d'àcid pirúvic en etanol i diòxid de carboni. Es produeix quan determinats fongs unicel. lulars (llevats) que estan catabolitzant un líquid ric en sucres per mitjà de la respiració esgoten l'oxigen disponible i continuen el catabolisme per mitjà de la fermentació. En una primera etapa es duu a terme la glucòlisi i es transforma la glucosa en àcid pirúvic, i en l'etapa següent es dóna la fermentació alcohòlica, en què l' àcid pirúvic es transforma en etanol i diòxid de carboni. Com a productes secundaris també es poden produir altres molècules orgàniques com ara glicerina, àcid succínic i àcid acètic. La reacció global de la glucòlisi i la fermentació alcohòlica és: Glucosa (C 6 H 12 O 6 ) + 2 Pi + 2 ADP 2 etanol (CH 3 CH 2 OH) + 2 CO 2 + 2 ATP La fermentació alcohòlica es duu a terme gràcies a enzims continguts en llevats del gènere Saccharomyces, que són anaerobis facultatius. Segons l'espècie de llevat es pot arribar a obtenir cervesa, whisky, rom (S. cerevisiae), vi (S. ellypsoideus), sidra (S. apiculatus) i pa (varietat purificada de S. cerevisiae). IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 15

Fermentació làctica En aquesta fermentació es forma àcid làctic a partir de la degradació de la glucosa. Generalment, aquesta fermentació es dóna quan determinats microrganismes inicien la fermentació de la lactosa de la llet, fet que la fa tornar agra i que produeix la coagulació de la proteïna caseïna. També es produeix en les cèl. lules animals quan no hi ha prou oxigen per efectuar un sobreesforç físic i l'àcid pirúvic procedent de la glucòlisi 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. Primer es duu a terme la glucòlisi, en la qual s'obtenen 2 ATP i se'n produeixen dos (NADH + H + ), i després, la fermentació làctica per regenerar coenzims oxidats (NAD + ) i evitar que el procés s'aturi perquè n'hi falten. La reacció global de la glucòlisi i la fermentació làctica és: Glucosa (C 6 H 12 O 6 ) + 2 (ADP + Pi) == 2 Acid làctic (CH 3 CHOH 0OOH) + 2 ATP Si el substrat és la lactosa, primer s'hidrolitza en una molècula de glucosa i una altra de galactosa, que posteriorment es transforma en glucosa. Després, les dues glucoses continuen el procés descrit abans per a les cèl. lules musculars. Els microorganismes que fan aquesta fermentació són els bacteris Lactobacillus casei, L. bulgaricus, Streptococcus lactis i Leuconostoc citrovorum, dels quals s'obtenen productes derivats. 16 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

Fermentació butírica Consisteix en la descomposició de substàncies glucídiques d'origen vegetal, com el midó i la cel. lulosa, en determinats productes com ara l'àcid butíric, l'hidrogen, el diòxid de carboni i altres substàncies de mala olor. La duen a terme bacteris anaerobis com ara Bacillus amilobacter i Clostridium butiricum. La fermentació butírica té molta importància, ja que contribueix a la descomposició de les restes vegetals del sòl. La fermentació de les proteïnes Fermentació pútrida. També s'anomena putrefacció i es diferencia de les altres fermentacions en el fet que els substrats que es degraden són de naturalesa proteica o aminoàcida. Els productes obtinguts en aquesta fermentació són orgànics i pudents, com ara l'indole, la cadaverina i l'escatol, que són els responsables de l'olor dels cadàvers animals i de les restes vegetals. No obstant. això, algunes putrefaccions donen productes poc desagradables, per això s'utilitzen per produir els gustos típics d'alguns formatges i vins IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 17

18 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

3 CATABOLISME DELS LÍPIDS En els éssers vius, els greixos tenen una gran importància com a combustibles orgànics, ja que tenen un alt valor calòric: la degradació d' 1 g de greix pot aportar fins a 9.5 kcal, la dels glúcids 4.2 kcal i la de les proteïnes, 4,3 kcal. El mecanisme més important d'obtenció d energia dels lípids el constitueix l ' oxidació dels àcids grassos, que procedeixen de la hidròlisi dels lípids saponificables, entre els quals destaquen els triglicèrids i els fosfolípids. Aquestes hidròlisis són catalitzades per lipases específiques, que trenquen les unions del tipus ester i alliberen els àcids grassos de la glicerina: Triglicèrid = Glicerina + 3 àcids grassos Fosfolípid = Glicerina + 2 àcids grassos + 1 compost alcohòlic + H 3 PO 4 - La glicerina o glicerol obtinguda es pot transformar en dihidroxiacetona i integrar-se a la segona fase de la glucòlisi, degradar-se després completament en el cicle de Krebs i obtenir el rendiment energètic corresponent en la cadena respiratòria. - Els àcids grassos són activats afegint-se a un CoA, i gràcies a la carnitina penetren al mitocondri on seran degraden mitjançant l anomenada β-oxidació La β-oxidació dels àcids grassos Els àcids grassos obtinguts al citoplasma han d ' entrar al mitocondri on sofreixen el procés anomenat anomenat β-oxidació o hèlix de Lynen, que consisteix en l ' oxidació del carboni β per mitjà de les reaccions següents: 1. L ' àcid gras queda activat quan s'uneix amb el CoA i es forma acil-coa (de n carbonis), en una reacció que requereix energia subministrada per I'ATP i es duu a terme al citoplasma. 2. L ' acil-coa penetra al mitocondri gràcies a un transportador orgànic especial, la carnitina. 3. L'acil-CoA sofreix la primera oxidació del carboni (3, i es forma un acil-coa insaturat (amb un doble enllaç) i 1 FADH 2. 4. L ' acil-coa s'hidrata, amb la qual cosa es forma un β -hidroxiacil-coa, sense doble enllaç i amb un grup alcohol ( OH) en el carboni β. 5. EI β -hidroxiacil-coa sofreix l'oxidació del carboni β i es forma un β -cetoacil-coa (amb un grup cetònic CO en el carboni R) i 1 NADH + H +. 6. El β -cetoacil-coa interacciona amb una molècula de CoA, amb la qual cosa es trenca en dues molècules, un acetil-coa de dos carbonis i un acil-coa que té dos carbonis menys (n-2) que el que va iniciar el cicle de la (3-oxidació. La molècula d ' acil-coa de dos carbonis menys (n-2) pot iniciar un altre cicle de β-oxidació i originar un altre acetil-coa i un acil-coa de dos carbonis menys (n-4), i així successivament fins que s'obtinguin tan sols dues molècules d ' acetil-coa. Les molècules d ' acetil-coa formades en els cicles de β -oxidació poden seguir la ruta catabòlica del cicle de Krebs i degradar-se totalment de manera aeròbica segons el que s'ha explicat abans. IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 19

Rendiment energètic del catabolisme dels àcids grassos Cada lípid tindrà, segons la seva composició un rendiment energètic diferent. Si miram per exemple l àcid palmític (de 16 C) CH 3 -(CH2) 14 -COOH, per a la seva oxidació completa calen set voltes del cicle de la β-oxidació, de manera que en total es produiran 8 molècules d acetil-coa. Tenint en compte que cada acetil-coa pot ingressar al cicle de Krebs, amb rendiment energètic que comporta 12 ATP/cicle de Krebs-cadena respiratoria, i que els FADH2 i NADH2 poden passar a la cadena respiratòria, tendrem: 8 acetil-coa x 12 ATP 96 ATP 7 FADH 2 x 2 14 ATP 7 (NADH + H + ) x 3 21 ATP TOTAL 131 ATP Restant 1 ATP als 131 ATP obtinguts per activar l àcid gras i perquè pugui penetrar al mitocondri, resulta que un mol d àcid palmític (256 g) pot proporcionar 130 mols, llavors 130 mols ATP x 7 kacal/mol = 910 Kcal 20 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

4 CATABOLISME DE LES PROTEÏNES Les proteïnes tenen fonamentalment missions diferents de les energètiques. Les proteïnes es descomponen i els aminoàcids que hem ingerit amb la dieta es destinen a la biosíntesi de proteïnes o d altres composts orgànics nitrogenats. Però l excés d aminoàcids no es pot emmagatzemar ni excretar, sinó que es converteixen en àcids grassos o s empren directament com a combustible Per això en casos de necessitat, els aminoàcids són oxidats i els derivats d'aquestes oxidacions poden entrar al cicle de Krebs i a la cadena respiratòria. Es distingeixen tres mecanismes de degradació dels aminoàcids: La transaminació, consisteix en el traspàs del grup amino d ' un aminoàcid a una molècula anomenada α-cetoàcid, que l ' accepta i es transforma en un altre aminoàcid, de manera que un aminoàcid es degrada per permetre que un altre se sintetitzi. Les transaminacions són catalitzades per les transaminases, que es troben tant al citoplasma com a la matriu mitocondrial. Aminoàcid ) + α -cetoàcid l == α-cetoàcid 2 + Aminoàcid 2 La desaminació oxidativa, és l ' alliberació directa dels grups amino dels aminoàcids en forma de NH 4, i així es formen α-cetoàcids. Les desaminacions dels aminoàcids són catalitzades per enzims del grup de les deshidrogenases localitzades al citoplasma i als mitocondris de les cèl. lules hepàtiques. En les desaminacions es produeixen coenzims reduïts (NADH) que poden entrar a la cadena respiratòria. Aminoàcid + H 2 O + NAD + == α-cetoàcid + NH 4 + + NADH+ H + La descarboxilació és la pèrdua del grup carboxil (-C00H) en forma de CO 2, gràcies al concurs del CoA. Prèviament l ' aminoàcid deu haver perdut el grup amino. El producte pot incorporar-se al cicle de Krebs. α-cetoàcid + CoA SH == (R) CoA + CO 2 L excreció de l amoníac Una petita part dels ions NH 4 + es poden aprofitar en altres processos, però la majoria s han d eliminar ràpidament perquè resulten tòxics. Els animals excreten amoníac en tres formes: a) Els animals aminotèlics, eliminen directament l amoníac. En general són animals d aigua dolça que disposen de molta aigua per a la seva eliminació. b) Els animals uricotélics (ocells, rèptils i insectes) eliminen l amoníac en forma d àcid úric (que és menys tòxic). Fan una orina semisòlida per tal de poder estalviar aigua. c) Els animals ureotèlics (com els mamífers, amfibis adults i peixos d aigua salada) excreten amoníac en forma d urea gràcies a les reaccions del cicle de l urea que es produeix al fetge IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 21

5 CATABOLISME DELS ÀCIDS NUCLEICS Les molècules d ' àcids nucleics són degradades en les seves unitats mononucleòtides al tub digestiu dels animals gràcies a les nucleases, secretades per la mucosa duodenal dels vertebrats. Posteriorment, altres enzims trenquen els nucleòtids en molècules de pentosa (ribosa o desoxiribosa), bases nitrogenades i àcid fosfòric. - Les pentoses, quan es degraden, segueixen la via dels glúcids. - L'àcid fosfòric en part s ' excreta com a ió fosfat (PO - ) i en part s'utilitza pera la síntesi d'atp i de nous nucleòtids. - Les bases nitrogenades s'utilitzen per a noves biosíntesis o experimenten un procés degradatiu fins a quesón substàncies destinades a ser excretades. El catabolisme de les bases púriques condueix a la formació d ' àcid úric. En alguns animals, com ara els rèptils i els ocells, aquest àcid és excretat directament en forma de cristalls, però en d'altres és transformat en diferents substàncies com ara al. lantoïna, àcid al.lantoic, amoníac o urea. Les aranyes poden eliminar directament guanina sense catabolitzar. Les bases pirimidíniques són catabolitzades per mitjà d un procés una mica diferent, però que, en definitiva, duu a la formació d'urea o amoníac que són excretats. 22 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 23

ACTIVITATS. Tema 17: Catabolisme 1. Què creus que passaria si l'energia que enclouen els enllaços dels compostos orgànics no s'alliberés gradualment i s'emmagatzemés en milions de molècules d'atp, sinó que s'alliberés de manera sobtada? 2. En general, què subministren a la cèllula els processos catabòlics? 3. Què diferencia els organismes litòtrofs dels organòtrofos Esmenta'n exemples. 4. On rau la importància de la molècula d'atp en el procés de metabolisme? 5. Quin tipus de metabolisme poden tenir els bacteris que viuen als fons pantanosos on hi ha molta acumulació de matèria orgànica en descomposició i on arriba la llum solar? Explica per què. 6. Indica en quin ordre es produeixen els següents processos del catabolisme de la glucosa: a) Transport d electrons, origen de l acetil-coa, glucòlisi i cicle de Krebs. 7. Per què els lípids tenen tanta importància com a combustibles i quina n'és la causa metabòlica? 8. Respon a les següents preguntes referents al catabolisme dels àcids grasos: a) Quin nom rep el catabolisme dels àcids grasos? b) On es produeix aquest catabolisme? c) Quina funció desenvolupa en aquest procés el coenzim A? d) Quin producte final s origina en el catabolisme dels àcids grassos? 9. Escriu les fórmules globals de la β-oxidació dels àcids grassos esteàric (18 carbonis) i calcula'n el rendiment energètic. 10. Quin és el requeriment previ perquè els àcids grassos puguin ser degradats a l'interior dels mitocondris? 11. Quina relació té la β-oxidació dels àcids grassos amb la respiració aeròbica de la glucosa? 12. Indica les diferències entre transaminació i desaminació oxidativa. 13. Quina fase de la degradació dels àcids nucleics pot conduir a l'alliberació d'energia? Quins altres productes es formen a les fases no energètiques d'aquesta degradació i quina destinació final tenen? 14. Pots explicar quina relació hi ha entre el gran consum d'alcohol i la cirrosi hepàtica? 15. Quin avantatge metabòlic tenen els microorganismes anaerobis facultatius respecte dels anaerobis estrictes? 16. Defineix el concepte de fermentació. Quines diferències essencials té amb la respiració? 17. Per què són poc rendibles energèticament les fermentacions? 18. Si la fermentació làctica és un procés anaeròbic que efectuen bacteris, com és possible i sota quines condicions es pot dur a terme al teixit muscular dels animals? COMPLETA: 1) Molècula final de la glucòlisi 2) Molècula acceptora d electrons en la respiració aeròbica 3) Substrats que són susceptibles de fermentació 4) Primer acceptor de protons de la respiració aeròbica 5) Primer acceptor de protons de la fermentació 6) Acceptor final d hidrògens de la respiració aeròbica 7) Acceptor final d hidrògens de la respiració anaeròbia 8) Acceptor final d hidrògens de la fermentació 9) Producte en el qual es transforma l acceptor final de protons i electrons en la respiració aeròbica 10) Productes en els quals es transforma l acceptor de protons i electrons en la fermentació 24 IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova

IES Guillem Cifre de Colonya. BIOLOGIA BATXILLERAT 2. Professor: Bartomeu Vilanova 25