Introducció:
Les cèl·lules dels sers vius necessiten energia per a dur a terme les seves funcions (és a dir, per a seguir vives).
Aquesta energia química l'obtenen en “trencar” determinades molècules orgàniques en diferents processos cel·lulars com la glucolisi, la fermentació o la respiració cel·lular.
D’on provenen aquestes molècules orgàniques de les que les cèl·lules n’obtenen energia? Els sers vius autòtrofs les aconsegueixen a partir de la matèria inorgànica sobretot en la fotosíntesi. Els heteròtrofs necessitem ingerir aquestes molècules orgàniques a partir d’altres éssers vius.
En la unitat anterior hem estudiat l’estructura de la cèl·lula eucariota. En aquesta veurem de forma més o menys profunda com és l’activitat cel·lular. Sobretot ens centrarem a veure com les cèl·lules obtenen l’energia que necessiten per a viure i com les cèl·lules dels vegetals fabriquen la matèria orgànica a partir de matèria inorgànica.
EL METABOLISME CEL·LULAR
EL METABOLISME
El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que tenen lloc en les cèl·lules d’un organisme per a mantenir-lo en vida. Aquests processos permeten als organismes créixer i reproduir-se, mantenir les seves estructures, i respondre al seu medi. Podem dividir-lo en:
El catabolisme és el conjunt de reaccions químiques en que es descompon matèria orgànica.
L’anabolisme, per contra, és el conjunt de reaccions químiques encaminades a utilitzar aquesta energia per a construir els diferents components de les cèl·lules: glúcids, lípids, proteïnes o àcids nuclèics.
Les reaccions químiques del metabolisme s'organitzen en rutes metabòliques en què una substància química és transformada en una altra per una seqüència d'enzims, en un procés que inclou diferents passes.
Una característica sorprenent del metabolisme és la semblança de les rutes metabòliques bàsiques fins i tot entre espècies molt diferents.
Aquestes semblances són probablement el resultat de la gran eficiència d'aquestes rutes, i de la seva aparició primerenca en la història evolutiva.
El CATABOLISME
Com hem dit, el catabolisme és la part del metabolisme que consisteix en la transformació de molècules orgàniques o biomolècules complexes en molècules senzilles i en l'emmagatzematge de l'energia química despresa en aquest procés.
En trencar els enllaços covalents d'aquestes molècules s'obte gran quantitat d'energia. Aquesta energia s'emmagatzema en forma d'enllaços fosfat de molècules d'ATP.
Posteriorment quan la cèl·lula necessiti energia per construir noves molècules (en les vies anabòliques), aquests enllaços es trencaran, i l'energia alliberada s'utilitzarà per aquesta finalitat.
Tipus generals de catabolisme:
Catabolisme dels hidrats de carboni: És el procés d'obtenir energia a partir
de la glucosa que es realitza per tres mecanismes: glucòlisi, respiració cel·lular i fermentació.
Catabolisme dels greixos Consisteix en el trencament dels triglicèrids en
àcids grassos i glicerol. Els enzims que intervenen en aquest procés són anomenats lipases.
Catabolisme de les proteïnes: És l'escissió de les cadenes polipeptídiques en
els seus aminoàcids mitjançant enzims anomenats proteases.
Alguns dels aminoàcids obtinguts poden formar glucosa mitjançant un procés anabòlic anomenat gluconeogènesis. La resta s'utilitzarà per a construir les proteïnes que la cèl·lula necessita.
La major part de les rutes catabòliques aeròbiques, és a dir, en les que intervé l’oxigen, de glúcids, lípids i proteïnes convergeixen en uns pocs productes finals.
Per donar una visió general del procés podem dir que en el catabolisme de biomolècules existeixen tres etapes fonamentals en que les molècules originals es van degradant en molècules més petites. :
1.Degradació de les macromolècules en les seves unitats constitutives. 2.Degradació d'aquestes unitats en molècules més simples com l’àcid priuvic i acetil-coezima A
3.Oxidació total d'aquestes molècules més simples en l'anomenat cicle de Krebs (també anomenat cicle de l’àcid cítric) on convergeixen totes les vies catabòliques aeròbiques, punt clau del metabolisme cel·lular.
En aquest procés es generen molècules com l'ATP o el NADH+, importants per
a d'altres processos metabòlics.
L’ANABOLISME
Tal com hem vist abans, l'anabolisme és el conjunt de processos metabòlics constructius, en què l'energia alliberada pel catabolisme s'utilitza per a sintetitzar molècules complexes. En general, les molècules complexes que formen les estructures cel·lular són produïdes pas a pas a partir de precursors petits i senzills.
L'anabolisme necessita primer de la producció de precursors de les molècules més complexes, com ara aminoàcids, monosacàrids, nucleòtids, ... i l’ensamblatge posterior d'aquests precursors en molècules complexes com ara proteïnes, polisacàrids, lípids i àcids nuclèics.
En tots aquests processos es consumeix l'energia emmagatzemada en forma d'ATP obtinguda en els processos catabòlics.
Els organismes presenten diferències en la quantitat de molècules de les cèl·lules que poden produir ells mateixos.
Com ja sabem, els autòtrofs com ara les plantes poden produir les molècules orgàniques complexes com ara els polisacàrids i les proteïnes a partir de molècules senzilles com el diòxid de carboni i l’aigua.. Els heteròtrofs, en canvi, requereixen una font de substàncies més complexes, com ara monosacàrids i aminoàcids, per a produir aquestes molècules complexes.
A continuació explicarem de forma més aviat simple dos dels processos principals del metabolisme cel·lular, un de catabòlic (la respiració cel·lular) i l’altre anabòlic.
La respiració cel·lular amb les seves fases: a.Glucolisi
b.Oxidació de l’àcid pirúvic c.Cicle de Krebs
d.Fosforilació oxidativa
La fotosíntesi amb les seves dues fases: :
a.Fase fotoquímica de la fotosíntesi o reacció de Hill. b.Fixació del diòxid de carboni o cicle de Calvin.
RESPIRACIÓ CEL·LULAR. UN PROCÉS CATABÒLIC.
La respiració cel·lular és un conjunt de processos formats per reaccions químiques en la que es “trenquen” algunes molècules, bàsicament la glucosa, per tal d’obtenir un altre tipus de molècules (l’ATP), que emmagatzemen l’energia obtinguda en aquests processos, i proporcionen energia per a les diferents activitats cel·lulars.
En resum, els éssers vius obtenim molècules, a través de la dieta en el cas dels animals, a través de la fotosíntesi en el cas dels vegetals.
Al trencar els enllaços entre els àtoms d’algunes d’aquestes molècules, principalment glucosa, però també àcids grassos o aminoàcids, s’allibera energia, que s’utilitza per formar ATP.
En aquelles reaccions cel·lulars en què es necessita energia es gastarà l’ATP que s’ha format en la respiració cel·lular.
Podem esquematitzar el procés de la respiració cel·lular de les cèl·lules aeròbiques de la forma següent:
C6H12O6 + 6 O2 ---> 6 CO2 + 6H2O y se liberan 38 moléculas de ATP.
Si ho traduïm al català, l'expressió de dalt significa que a partir d'una molècula de glucosa (C6H12O6 ) i 6 molècules d'oxigen (O2) es formen 6 molècues de
diòxid de carboni (CO2), 6 molècules d'aigua (H2O) i 38 molècules d'ATP
(energia química emmagatzemada).
Podem dividir tot aquest procés en diferents fases:
La glucolisi. La respiració cel·lular 1.
La glucòlisi que també es pot anomenar glicòlisi o via d'Embden-Meyerhof és una via metabòlica per la qual una molècula de glucosa és oxidada fins a produir dues molècules d'àcid pirúvic (també anomenat piruvat) .
Els productes d’aquesta reacció són utilitzats per la cèl·lula per: • L’ATP és la font d’energia universal de la cèl·lula.
• El NADH i H+ en una etapa posterior es convertirà en ATP. També pot
intervenir en d’altres reaccions cel·lular.
• En els organismes aerobis, el piruvat és la molècula que seguirà oxidant-se en el cicle de Krebs, faoxidant-se oxidant-següent de la respiració aeròbica, produint més molècules de NADH que podran passar a formar molt més ATP en les mitocondries.
En resum, la glucòlisi és l'inici tant de la respiració aeròbica com de l'anaeròbica. És un procés metabòlic universal que podem trobar (amb molt poques variacions) a molts tipus cel·lulars de gairebé tots els organismes. A més d'estar implicada en la respiració aeròbica és la principal font d'energia de molts organismes procariotes o eucariotes privats de mitocondris (per exemple els glòbuls vermells) i cèl·lules eucariotes que es troben en concentracions baixes d'oxigen (per exemple durant la contracció muscular intensiva o durant la fermentació del llevat).
A més de ser una via molt conservada al llarg de l'evolució es troba als organismes filogenèticament més antics, de manera que es considera una de les vies metabòliques més antigues.
La glucòlisi té lloc al citoplasma de la cèl·lula.
En els organismes aerobics, la resta de la respiració cel·lular passa a l’interior del mitocondri.
Podem diferenciar-hi:
L'oxidació de l'àcid pirúvic. La respiració cel·lular 2.
L'oxidació del priuvat és el lligam entre la glucolisi i el cicle de Krebs, que és la següent etapa del procés, en la major part de les cèl·lules.
Aquest procés es localitza a la matriu mitocondrial.
El piruvat és transportat fins la matriu de les mitocondries, creuant les dues membranes d’aquest orgànul.
En resum el què passa és que cada molècula d'àcid prirúvic dona lloc a una altra molècula més simple, l’acetil coenzim A, que entrarà al cicle de Krebs. En la reacció es forma una altra molècula de NADH i un protó (H+).
Cicle de Krebs (cícle de l’àcid cítric). La respiració cel·lular 3.
El cicle de Krebs (tambié anomenat cicle de l’àcid cítric) és una ruta metabòlica, és a dir, una successió de reaccions químiques que formen part de la respiració cel·lular en totes les cèl·lules aeròbiques, que són les que utilitzen oxigen.
En concret el cicle de Krebs és part de la via catabòlica en què a partir de l’acetil coenzim A (acetilCoA) s’origina CO2 (diòxid de carboni), alliberant
energia que s’acumula en molècules que en l’última fase del procés es serviran per produir ATP.
Podem explicar-ho així:
A partir d'una molècula d'acetil-coA es formaran dos molècules de diòxid de carboni i d'altres substàncies com el GTP, el NADH o el FADH que posteriorment seran transformades en ATP, en la cadena transportadora d'electrons.
No cal que ho estudieu, però per si us interessa conèixer el balanç net d'aquest procés és el següent:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + P
i + 3 H2O → CoA-SH + 3 (NADH + H+) +
FADH2 + GTP + 2 CO2 + 3 H+
Fosforilació oxidativa en la cadena transportadora d’electrons.
A la membrana interna del mitocondri hi ha una sèrie de complexos enzimàtics disposats uns a continuació dels altres. Aquests complexos capten electrons dels àtoms de les molècules de NADH i de FADH2 formats en els processos descrits fins ara i els passen a un component posterior.
Aquest transport d’electrons va acompanyat d’un transport de protons (H+) des
de la matriu mitocondrial fins l’espai intermembranós que crea una diferència de càrregues elèctriques i de pH entre l’espai intermembranós i la matriu.
Això dóna l’energia suficient per a què es formi ATP .
Tal com dèiem al principi, si tenim en compte totes les fases del procés, una molècula de glucosa s’ha convertit en CO2, aigua i 38 molècules d’ATP, que restaran a disposició de la cèl·lula per satisfer les seves necessitats energètiques.
En l'esquema següent es mostra el procés de la respiració cel·ular complert.
També pot passar que el procés no es faci en la seva totalitat. És el què passa en absència d’oxigen. Em aquest cas el priuvat obtingut en la glucolisi es transforma en lactat o en etanol, en un procés de molt menor rendiment energètic anomenat fermentació.
L'explicació de l'esquema és aquesta:
En el cas de la fermentació, a partir d’una molècula de glucosa s’obtenen dues molècules d’aigua, dues d’àcid l’actic o d’etanol, segons sigui la fermentació, i dos molècules d’ATP.
Si ho comparem amb els 38 ATP obtinguts en la respiració cel·lular completa, veiem que efectivament el rendiment és 18 vegades menor.
LA FOTOSÍNTESI. UN PROCÉS ANABÒLIC.
La fotosíntesi és un procés anabòlic fonamental que té lloc en les plantes, algues i alguns bacteris (els cianobacteris) en què l’energia de la llum solar és convertida en energia química.
Aquesta energia química és utilitzada per a fixar el carboni atmosfèric, contingut en el diòxid de carboni i transforma-lo en molècules orgàniques, concretament en glucosa, que és la major font d’energia de les cèl·lules.
La fotosíntesi és considerada la ruta bioquímica més important del planeta Terra.
Els organismes fotosintètics formen la base de la cadena alimentària. Les fonts d'energia com el carbó, el petroli i el gas natural deuen la seva energia al procés de la fotosíntesi.
A més la fotosíntesi, produeix l’oxigen que hi ha a l’atmosfera de la Terra.
La fotosíntesi utilitza l'energia de la llum solar per a produir la glucosa. Podem esquematitzar el procés amb la següent equació:
També ho traduirem al català: a partir de 6 molècules de diòxid de carboni i 12 molècules d'aigua, utilitzant l'energia de la llum es forma una molècula de glucosa i 6 molècules d'aigua i 6 d'oxigen.
En les algues eucariotes i en les plantes la fotosíntesi es realitza en uns orgànuls cel·lulars especialitzats: els cloroplasts. Aquests orgànuls estan delimitats per dues membranes. En el seu interior hi trobem una fase aquosa amb un elevat contingut de protïeînes i glúcids. És el que coneixem com a estroma, i una sèrie de membranes denominades tilacoides que contenen els pigments fotosintètics i proteïnes encarregades de captar l’energia del Sol. El pigment principal és la clorofi·la, de color verd, de la que n’hi ha diferents variants. Hi ha altres pigments, però que tenen un paper auxiliar en la captació de la llum.
Etapes de la fotosíntesi.
La fotosíntesi té lloc en dues fases. La primera es dona dins els tilacoides, on es capta l’energia de la llum i és emmagatzemada en dues molècules senzilles, l’ATP i el NADPH.
En la segona fase, que es dona a l’estroma, les dues molècules produïdes en la fase anterior són utilitzades en assimilar el diòxid de carboni atmosfèric (CO2)
per produir glúcids de carboni i indirectament la resta de molècules orgàniques que formen els éssers vius.
La primera fase s’ha denominat tradicionalment fase lluminosa i la segona, fase fosca. Avui en dia no s’utilitza aquesta denominació, ja que se sap que els dos processos es donen només en condicions d’il·luminació.
Per això es coneixen amb el nom de fase depenent de la llum, fase fotoquímica o reacció de Hill la primera fase i fase de fixació del diòxid de carboni, o cicle de Calvin la segona fase.
Primer fase
La primera fase, la fase depenent de la llum, comença quan la llum del Sol incideix en unes molècules que contenen clorofila. Aquesta absorbeix la llum del Sol i cedeix un electró a una cadena transportadora d’electrons. Com a conseqüència de la cadena es formarà NADPH i ATP.
La molècula de clorofil·la recupera el seu electró a partir de les molècula d'aigua, procés amb el qual s’allibera el gas oxigen.
Segona fase
En la segona fase, la fase independent de la llum, les molècules que s’han format s’utilitzen per capturar (fixar) el diòxid de carboni atmosfèric (CO2), i
produir els precursors de la glucosa, que posteriorment donaran lloc a la glucosa.
En aquesta fase un enzim anomenat RuBisCo captura el CO2 de l'atmosfera i
a través de l'anomenat cicle de Calvin el converteix en molècules orgàniques de 3 àtoms de carboni, que seran després convertits en glucosa.
Per això utilitza l’energia i el poder reductor de les molècules originades en la primera fase, l’ATP i el NADPH.
Balanç global de la fotosíntesi.
De manera simplificada, la fotosíntesi podria ser definida com la conversió de la energia solar en energia química, realitzada pels organismes vius.
Podem representar les dues fases de la fotosíntesis amb els següents esquemes:
