1

2

EL METABOLISME: consideracions generals Conjunt de reaccions químiques d’oxido-

reducció (les reaccions intermèdies poden no ser-ho, però globalment les vies ho són). Una substància s’oxida quan perd electrons. Pot

anar acompanyada d’una addició d’oxigen o bé de pèrdua d’hidrogens

Una substància es redueix quan guanya electrons. Pot haver-hi disminució del contingut d’oxigen o bé addició d’hidrogen

Quan una substància s’oxida, l’altra es redueix: reaccions RED-OX o de transferència d’electrons

3

EXEMPLE DE REACIÓ RED-OX

4

TIPUS DE REACCIONS METABÒLIQUES

5

6

TIPUS DE METABOLISME Anabolisme:FASE CONSTRUCTIVA Conjunt de processos de síntesi amb

fabricació de molècules complexes a partir de molècules simples.

Necessita energia Són processos de reducció Són vies divergents: a partir d’un nombre

reduït de molècules s’obté variació de biomolècules

Molècules sintetitzades són components cel·lulars o substàncies de reserva

7

TIPUS DE METABOLISME Catabolisme: FASE DESTRUCTIVA Degradació de molècules complexes, provinents

del medi extern o de reserves internes, amb formació de productes finals més simples

Alliberament d’energia Processos oxidatius Vies convergents: productes intermediaris i finals

comuns Anabolisme i catabolisme no estan aïllats sino

que s’interrelacionen i estan en equilibri dinàmic

8

ALTRES DEFINICIONS BÀSIQUES Ruta i via metabòlica: conjunt de reaccions

químiques coordinades per tal de produir un producte final

Substrat i producte: compost inicial i final d’una reacció

Metabòlit: Compost químic que intervé en les reaccions dels éssers vius

Disponibilitat de substrat: Tant una via metabòlica com una reacció individual depenen de la presència del substrat i dels coenzims de la reacció

9

ASPECTES ENERGÈTICS Energia lliure (G): energia continguda en les

substàncies que participen en una reacció metabòlica Variació d’energia lliure ( G): E final –

E inicial Reaccions exergòniques: G -, alliberen E, poden

donar-se espontàniament Reaccions endergòniques: G +, consumeixen E,

s’han d’acoblar a reaccions exergòniques La transferència d’E entre els dos tipus de reaccions

es fa a través de l’ATP ATP: sistema d’emmagatzematge i transport d’E,

comú a TOTS els éssers vius

10

ESTRUCTURA I REACCIÓ DE L’ATP Dos enllaços rics en E Reacció cap a la dreta és espontània. S’acobla a

reaccions endergòniques per fer-les possible Síntesi d’ATP necessita molta E, es possible si

s’acobla a processos molt alliberadors d’E Hi ha altres nucleòtids trifosfat que actuen com a

vehicles energètics: UTP, CTP i GTP

11

Vies de formació d’ATP: Fosforilació a nivell de substrat: cessió d’E

d’uns compostos a uns altres amb formació d’ATP

Fosforilació oxidativa: cessió d’e- des de coenzims reduïts a l’O2 que es redueix formant H2O. Es produeix una diferència de [H+] (pH) entre l’interior i l’exterior de les crestes mitocondrials. Aquest procés provoca la formació d’ATP

Per a què es fa servir l’E de l’ATP? Les cèl·lules fan diversos tipus de

treball:a) Treball osmòtic: transport actiu a través

de les membranes en contra del gradientb) Treball mecànic: processos cel·lulars

responsables del moviment (p.e. contraccions de la fibra muscular)

c) Treball químic: síntesi de biomolècules (biosíntesi)

12

13

ESQUEMA GENERAL DEL METABOLISME

14

EL CATABOLISME I L’OBTENCIÓ D’ENERGIA Conjunt de reaccions de degradació

de les biomolècules amb producció neta d’E que es conserva en forma d’ATP

Es produeixen reaccions RED-OX: catabolits finals més oxidats.

Els enzims que hi intervenen són deshidrogenases

15

Tipus de catabolisme: Fermentació: Donant i acceptor d’e- són dos compostos

orgànics Fosforilació de l’ATP només a nivell de substrat Respiració: Acceptor final d’e- és una molècula inorgànica:

O2, NO3-, SO4

2-... Donant és un compost orgànic, excepte als

bacteris quimioautòtrofs Fosforilació a nivell de substrat i oxidativa

16

Tipus de respiració: Aeròbia: acceptor final és O2 H20 Anaeròbia: acceptor final altres

molècules inorgàniques:NO3

- NO2-

SO42- S2-

CO2 CH4

17

Etapes del catabolisme:1. Degradació de macromolècules

(polisacàrids, lípids, proteïnes...) fins als monòmers essencials. En els animals és la fase de digestió

2. Degradació dels monòmers essencials fins a uns pocs catabolits intermediaris (acetil-CoA)

3. a) Degradació total dels catabolits intermediaris a CO2, H2O i NH3, amb alliberament total de l’energia, en el cas de la respiració.b) Degradació parcial amb formació d’altres biomolècules que encara tenen E en la fermentació (alcohol etílic, àc.làctic, ...)

18

EL CATABOLISME DELS GLÚCIDS

Substrat inicial: glucosa. Si la cèl·lula no en té, utilitza altres monosacàrids, isomeritzant-los prèviament a glucosa.

Etapes:1. Glucòlisi: seqüència de reaccions que

passen la glucosa a piruvat2. En els organismes aerobis, respiració

cel·lular aeròbia: Transformació del piruvat a acetil CoA Cicle de Krebs Cadena respiratòria amb transport d’e- i

fosforilació oxidativa

3. En els organismes anaerobis, respiració cel·lular anaeròbia o fermentació

19

LA GLUCÒLISI (RUTA D’EMBDEN-MEYERHOF) Degradació parcial i anaeròbia de la

glucosa (6C), tranformant-la en dues molècules d’àcid pirúvic (3C)

Al hialoplasma D’on prové la glucosa?

Cèl·lula animal:• Sucres de l’aliment• Reserves de glucogen (glucogenolisi)• Transformació a partir d’altre compostos

(neoglucogènesi) Cèl·lula vegetal:

• Síntesi a partir de matèria inorgànica (fotosíntesi)• Reserves de midó• Transformació (neoglucogènesi)

20

21

Balanç de la glucòlisi: És una via catabòlica: 6C 2 3C És una via oxidativa: el piruvat és més

oxidat que la glucosa i els coenzims es redueixen (NAD+ passa a NADH)

Reacció global neta:

Seqüència de reaccions molt similars a tots els organismes i a tota classe de cèl·lules

22

Quin és el destí del piruvat?

1. Fermentació:En condicions anaeròbiquesAl hialoplasmaEl NADH s’oxida i torna a NAD+

2. Respiració cel·lular: En condicions aeròbiquesAls mitocondrisEl NADH s’oxida i torna a NAD+

23

RESPIRACIÓ CEL·LULAR Etapes:1. Descarboxilació oxidativa del

piruvat2. Cicle de Krebs3. Transport electrònic4. Fosforilació oxidativa

24

Respiració cel·lular: Descarboxilació oxidativa del piruvat Ac. Pirúvic passa del citoplasma a la matriu

mitocondrial gràcies a un transportador específic

Enzim: piruvat-deshidrogenasa

25

Respiració cel·lular: cicle de Krebs Matriu mitocondrial(eucariotes),

citoplasma (procariotes) Vuit reaccions cícliques de

degradació de l’acetil-CoA a CO2. S’alliberen H que es transfereixen al NAD+ i FAD

26

Procedència de l’acetil-CoA: Del piruvat format en la glucòlisi De l’oxidació dels àcids grassos De l’oxidació de certs aminoàcids

Alguns dels catabòlits intermediaris del cicle són necessaris per la biosíntesi (anabolisme) d’aminoàcids, glúcids i àcids grassos.

27

Cicle de Krebs

28

Balanç del cicle de Krebs Oxidació completa de l’acetil-CoA fins a

CO2

1molècula de GTP per fosforilació a nivell de substrat (rendiment E baix)

Reducció de 4 coenzims: 3NADH i 1 FADH2

Queda lliure 1 CoA que serà reutilitzat Reacció global:

29

Respiració cel·lular: Transport electrònic i forforilació oxidativa

NADH i FADH2 contenen els e- i H+

arrancats del substrat Cal reciclar-los i recuperar les

formes oxidades pq són escassos A càrrec de molècules proteiques

col·locades seqüencialment i adossades a la membrana interna de les crestes mitocondrials: cadena de transport d’e- o cadena respiratòria.

30

Els successius transportadors experimenten reaccions Red-Ox.

El seu ordre ve determinat pel seu potencial Red-Ox creixent (tendència a captar e-): els e- flueixen espontàniament d’un transportador a un altre.

L’acceptor final d’e- és l’O2

Els H+ són bombejats des de la matriu a través de la m. interna mitocondrial amb síntesi d’ATP

Finalment els H+ s’uneixen a l’O2 formant H2O

31

32

Com es produeix la fosforilació oxidativa?:Teoria quimiosmòtica de Mitchell Els e- flueixen de – a +

potencial Red-Ox (tendència a reduïr-se captant e-)

En passar de – a + potencial es despren E

L’E s’utilitza per bombejar els H+ dels coenzims reduïts des de la matriu a l’espai intermembranós, en contra del gradient, en tres punts d’acoplament.

33

Els H+ tornaràn a la matriu, degut al gradient favorable, a través del complex enzimàtic ATP-sintetasa o partícules F que s’activa.

L’activació de l’ATP sintetasa provoca la formació d’ATP a partir d’ADP + Pi

3 ATP/NADH 2 ATP/FADH2

34

RENDIMENT ENERGÈTIC DE LA RESPIRACIÓ AERÒBIA 1 glucosa 2 piruvat

2 ATP 2 NADH

1piruvat x2 1 acetil-CoA x2 1 NADH x2 = 2 NADH

1 acetil-CoA x2 3 NADH x2 = 6 NADH 1 FADH2 x2= 2 FADH2

1 GTP x2 = 2 GTP Total: 2 ATP

2 GTP = 2 ATP10 NADH2 FADH2

glucòlisi

c.Krebs

35

Cadena respiratòria:10 NADH x 3 ATP/NADH = 30 ATP2 FADH2 x 2 ATP/FADH2 = 4 ATPTotal:

34 ATP (cadena respiratòria)+ 4 ATP (glucòlisi i

c.Krebs) = 38 ATP

1 mol ATP = 7 Kcal38 ATP x 7 Kcal/mol ATP = 266 Kcal/mol glucosa

(1mol glucosa=180 g.)

36

REACCIÓ GLOBAL DEL CATABOLISME DE LA GLUCOSA

Es necessita ½ O2 per formar 1 H2O per captar els 2 e- i els 2 H+ de cada coenzim reduït.

Glucosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi6 CO2 + 38 ATP + 42 H2O

37

LA FERMENTACIÓ El substrat experimenta oxidació

incompleta Acceptor final d’e- i H+ és un compost

orgànic Els productes finals encara tenen E Rendiment energètic baix: 2 ATP de la

glucòlisi Es consumeix glucosa molt ràpidament Es produeix en absència d’O2 (procés

anaeròbic): Cadena respiratòria no pot funcionar C. de Krebs queda inhibit (falta de NAD+ i FAD

que es recuperaven en la cadena resp.)

38

Organismes fermentadors: Certs grups de bacteris i llevats que poden ser:

Anaerobis facultatiusAnaerobis estrictes

Cèl·lules del teixit muscular dels animals, en certes condicions.

Les fermentacions s’anomenen pel producte final més abundant: Fermentació alcohòlica Fermentació làctica Fermentació butírica Putrefacció

Al hialoplasma

39

Fermentació alcohòlica:1. Glucòlisi: obtenció de 2 ATP i 2 NADH2. Descarboxilació amb alliberament de

CO23. Hidrogenació de l’ac. Pirúvic amb el

NADH obtingut a la glucòlisi: reciclatge de NAD+

4. Producte final: alcohol etílic

40

Reacció neta:Glucosa+2Pi+2ADP 2 etanol+2CO2+

2ATP+2H2O No es produeix red-ox neta: oxidació

en la glucòlisi i reducció al final A càrrec de llevats anaerobis

facultatius: Si [O2] alta, cile de Krebs I cadena resp. Si [O2] baixa o no n’hi ha, fermentació Exemples: llevat de la cervesa, del vi, del

cava, del pa… (Saccharomyces de diferents sp)

41

Fermentació làctica:1. Glucòlisi2. Hidrogenació de l’àcid pirúvic3. Producte final: àcid làctic

42

Aplicacions a l’indústria làctica (iogurt i quèfir).Organismes implicats:Lactobacillus casei, L.bulgaricus i Streptococcus lactis

Múscul estriat dels animals:Si l’exercici és brusc:

a) s’oxida molta glucosa a piruvatb) Arriba menys O2 del necessari per

transformar-lo en el c. de Krebsc) Fermentació làctica d) Àcid làctic baixa el pHe) Interferència en la contracció muscular i

responsable de la fatiga muscular i del cruiximent.

43

Dependència metabòlica de tots els processos:uns generen NADH i FADH2 i altres regeneren les formes oxidades

44

45

CATABOLISME DELS LÍPIDS Els lípids (especialment triglicèrids) són una

reserva energètica en els animals. Causes:1. Els àcids grassos estan fortament reduïts,

la seva oxidació allibera molta E2. Els triglicèrids són apolars: es poden

emmagatzemar de forma compacta Etapes del catabolisme:1. Acil-glicèrids àcids grassos2. Oxidació completa dels àcids grassos: ß-

oxidació o hèlix de Lynendigestió

46

ß-OXIDACIÓ DELS ÀCIDS GRASSOS Matriu mitocondrial A cada volta del procés s’alliberen:

2C en forma d’acetil-CoA1 NADH i 1 FADH2

Es formen tantes molècules d’acetil-CoA (2C) com parells de C té l’acid gras.

Acoplada al c.de Krebs (acetil-CoA) i a la fosforilació oxidativa (coenzims reduïts)

47

Exemple:• Àcid gras de 2n C• La ß-oxidació es produïrà n-1 vegades• Es formen n molècules d’acetil Co-A, n-1

molec. de NADH i n-1 de FADH2

48

Balanç energètic de la ß-oxidació: Exemple: àcid palmític (16 C)(pM=256 g)

7 voltes del procés:7 NADH7 FADH28 Acetil-CoA 8x3 NADH =24 NADH

8x1 FADH2= 8 FADH2 8x1 GTP = 8 GTPCadena respiratòria:(24+7) NADH x 3ATP/NADH = 93 ATP(8+7) FADH2 x 2ATP/FADH2 = 30 ATP

8 GTP = 8 ATPTOTAL =131 ATP

131 ATP–1 ATP (activació de l’àcid gras)=130 ATP130 mols ATP x 7Kcal/mol ATP = 910 Kcal

c.de Krebs

49

CATABOLISME DE LES PROTEÏNES Les P, en condicions normals, no són

usades com a font d’E. Els AA que sobren de la síntesi de P no poden ser emmagatzemats ni excretats, seran font d’E.

Etapes del catabolisme:1. Digestió: peptidases trenquen enllaços

peptídics2. Degradació dels AA

50

2. Degradació dels AAa) Separació dels grups amino: excreció

per l’orina en forma d’urea, amoníac o àcid úric.Dos mecanismes:• Per transaminació: El grup amino

es transfereix a un α-cetoàcid que es transforma en un nou AA

Transaminases al citoplasma i matriu mitocondrial

51

• Desaminació oxidativa:El grup amino s’allibera com a NH3+ i es forma un α-cetoàcid (es podrà utilitzar en una nova transaminació)Deshidrogenases al citoplasma i a la matriu mitocondrial de les cèl·lules hepàtiques

b) descarboxilació: Separació del grup carboxil (-COOH) en forma de CO2

α-cetoàcid + CoA-SH (R)-CoA + CO2

52

Transaminació i desaminació de l’alanina

53

CATABOLISME DELS ÀCIDS NUCLEICS

54

Interrelació de les vies catabòliques

55

Esquema de la respiració aeròbica mitocondrial