Tema 8: Introducció al Metabolisme

Tema 8: Introducció al Metabolisme

• El cicle de la matèria i el flux d'energia a la biosfera inclou el catabolisme i l'anabolisme.
• Les rutes metabòliques són interconnectades.
• El metabolisme i la bioenergètica estan relacionats.
• Les reaccions acoblades estan implicades en el metabolisme.
• L'ATP és una molècula important en el metabolisme.
• Les molècules transportadores d'electrons són importants.
• El metabolisme està controlat.
• El metabolisme inclou el cicle de la matèria i el flux d'energia.

Energia de les Molècules

• Els organismes vius acoplen reaccions químiques per recuperar i emmagatzemar energia en altres molècules amb alt contingut energètic (ATP).
• El metabolisme és una sèrie de reaccions coordinades en què múltiples sistemes multienzimàtics cooperen.
• Aquests sistemes tenen quatre funcions principals:
  • Obtenir energia química.
  • Convertir nutrients en molècules específiques de la cèl·lula.
  • Sintetitzar macromolècules mitjançant precursors.
  • Sintetitzar i degradar molècules necessàries per a funcions especialitzades, com ara lípids de membrana, missatgers intracel·lulars i pigments.

Cicle o flux de la matèria viva a la biosfera

• Els éssers vius depenen de fonts d'energia química.
• Els éssers fotosintètics utilitzen la llum solar.
• Els éssers quimiòtrofs utilitzen compostos químics oxidats.
• Existeixen autòtrofs (que utilitzen el CO2) i heteròtrofs (que utilitzen la matèria orgànica).
• El flux d'energia flueix dels autòtrofs als heteròtrofs.
• La matèria orgànica dels heteròtrofs és reutilitzada pels autòtrofs.

Metabolisme

• El metabolisme és la suma de totes les reaccions químiques que tenen lloc dins de les cèl·lules, catalitzades per enzims.
• Les reaccions que formen les rutes metabòliques provoquen petits canvis químics.
• El producte d'una reacció és el substrat de la següent, formant les substàncies anomenades metabòlits.
• El metabolisme intermediari fa referència a l'activitat combinada de totes les vies metabòliques que comparteixen metabòlits.
• Aquestes reaccions es regulen sovint al·lostèricament per evitar el malbarat energètic.

Rutes metabòliques

• Les rutes metabòliques poden ser lineals, ramificades (convergents o divergents) o cícliques.

Catabolisme i Anabolisme

• El metabolisme es divideix en catabolisme (degradació) i anabolisme (biosíntesi).
• El catabolisme degrada glúcids, greixos i proteïnes en compostos més senzills alliberant energia sota la forma d'energia exergònica.
• Aquest catabolisme involucra la generació d'ATP i la reducció de transportadors d'electrons, com NADH, NADPH i FADH₂.
• El catabolisme genera calor com a subproducte.
• L'anabolisi és la biosíntesi de molècules més grans i complexes a partir de petites, utilitzant l'energia.
• Les vies anabòliques i catabòliques són interconnectades.

Control del Metabolisme

• El metabolisme està controlat per garantir l'eficiència i satisfer les necessitats cel·lulars d'ATP i la síntesi de components cel·lulars.
• Hi ha 4 nivells de regulació: quantitat de substrat, quantitat d'enzim, regulació alostèrica i compartimentació.
• Existeix regulació hormonal.

Regulació per Substrat i Quantitat d'Enzim

• La concentració de substrat pot afectar la velocitat de les reaccions metabòliques.
• La quantitat d'enzims disponibles pot ser regulada, per exemple per presència de Triptòfan.
• L'exercici físic pot incrementar la quantitat d'enzims.

Regulació Al·lostèrica

• Moltes rutes metabòliques són regulades al·lostèricament pel producte final o per molècules com l'ATP o l'ADP
• Els enzims que catalitzen reaccions irreversibles són al·lostèricament regulades.
• El triptòfan inhibeix al·lostèricament el primer enzim de la seva síntesi.
• Les reaccions reversibles depenen de les concentracions de substrats.

Compartimentació

• La compartimentació de les rutes metabòliques permet concentrar substrats i enzims.
• La glicòlisi té lloc al citoplasma i l'oxidació de piruvat i àcids grassos a la mitocòndria.

Regulació Hormonal

• Moltes hormones regulen el metabolisme segons les necessitats de l'organisme.
• L'exemple de l'epinefrina, que activa la glicògen fosforilasa i permet la degradació del glicogen al múscul.

Bioenergètica i Termodinàmica

• La bioenergètica estudia les relacions energètiques i les transferències d'energia en les cèl·lules vives.
• Els processos biològics compleixen les lleis físiques generals.

Sistema Reaccionant

• Un ésser viu és un sistema obert.
• Un sistema reaccionant és el conjunt de matèria que està sotmesa a un procés químic o físic.
• Els sistemes poden ser tancats (no intercanvien energia ni matèria amb l'entorn) o oberts (intercanvien energia i matèria).
• Els éssers vius són sistemes oberts.

Entalpia

• La primera llei de la termodinàmica estableix que l'energia total d'un sistema i el seu entorn es manté constant.
• L'entalpia és el contingut de calor intern d'un sistema a pressió constant.
• La diferència d'entalpia entre productes i substrats determina l'energia absorbida o alliberada en forma de calor.
• Reaccions endotèrmiques absorbeixen calor, i reaccions exotèrmiques la alliberen.
• Les cèl·lules utilitzen reaccions exotèrmiques per proporcionar energia a reaccions endotèrmiques.

Entropia

• La segona llei de la termodinàmica estableix que l'entropia (desordre) del sistema tendeix a augmentar en un procés espontani.
• Les cèl·lules són sistemes complexos i ordenats (entropia baixa) però necessiten energia per mantenir aquesta ordenació i, com més organitzades són les estructures, necessiten més energia per mantenir-se.
• L'entropia de l'entorn acostuma a augmentar.
• Els éssers vius obtenen energia de l'entorn per compensar l'ordre intern, i augmenten l'entropia de l'entorn.

Energia Lliure de Gibbs

• L'energia lliure de Gibbs determina l'espontaneïtat de les reaccions. Si ∆G <0 la reacció és espontània, si ∆G > 0és no espontània, i si ∆G = 0, els sistemes estan en equilibri.
• L'energia lliure de Gibbs (AG) relaciona l'entalpia (H) i l'entropia (S).
• La energia lliure estàndard (AG° ) és característica d'una reacció i es calcula experimentalment.

Energia Real del Sistema

• La variació d'energia lliure (∆G) indica si una reacció és espontània o no.
• Les reaccions no afavorides poden ser acoblades a reaccions afavorides per mitjà de l'ATP per obtenir l'energia necessària.

Les AG° són additius

• Les reaccions termodinàmicament desfavorables s'acoblen a reaccions favorables per a que succeeixin.
• Si suma la successió de reaccions, els canvis en l'energia lliure també es sumen.

ATP: Moneda Energètica

• L'ATP és la principal molècula energètica de les cèl·lules.
• La hidròlisi de l'ATP és altament exergònica, proporcionant energia per a processos endergònics.
• L'ATP s'utilitza en la síntesi de macromolècules, el transport contra gradients i el moviment muscular.
• Hi ha altres transportadors d'energia com UTP, GTP, CTP i dCTP

ATP: Mecanismes de Síntesi

• L'ATP es pot sintetitzar per la fosforilació a nivell de substrat (transferència directa d'un grup fosfat) o per la fosforilació oxidativa (gradient de protons).
• En la glicòlisi, es genera ATP a nivell de substrat mitjançant la transfereència de grups fosfat d'intermediaris com 1,3-difosfoglicerat o PEP a l'ADP.
• La creatina fosforilada (PCr) també és un mecanisme d'ATP que allibera P per generar ATP.

ATP-Fosforilació Oxidativa

• Els electrons transportats pels coenzims NADH i FADH₂ generen un gradient de protons que impulsa la síntesi d'ATP per l'ATP sintasa.
• El metabolisme implica reaccions d'oxidació-reducció (redox).
• En les reaccions redox, un component s'oxida (perd electrons) i un altre es redueix (guanya electrons).
• Les oxidacions metabòliques transfereixen electrons i protons que són recollits per transportadors d'electrons.

Transportadors d'electrons

• Els transportadors d'electrons són importants en el transport d'electrons i permeten processos de reducció i oxidació.
• NAD+ i NADP+ són transportadors d'electrons importants, que recogen electrons per al catabolisme.
• Són molècules solubles que poden unir-se amb els enzims.
• Els transportadors importants són NAD+/NADH, NADP+/NADPH i FAD/FADH₂.

NAD, NADP

• El NAD+ intervé en el catabolisme i el NADPH en l'anabolisme.
• NAD+ i NADP+ són coenzims que ajuden en les reaccions redox pel transport d'electrons.
• NAD+ actua com a acceptor d'electrons i es redueix a NADH.
• NADP+ actua com a acceptor d'electrons i es redueix a NADPH.
• La seva forma reduïda (NADH i NADPH) actua com a donadors d'electrons.
• NAD+ participa en el catabolisme per generar energia, mentre que NADPH participa en l'anabolisme per assolir la creació de productes.

FAD, FMN

• Són nucleòtids de flavines derivats de la vitamina riboflavina.
• Funcionen com a coenzims en diversos processos metabòlics.
• FAD i FMN poden acceptar 1 ó 2 electrons i protons (deshidrogenacions).

Principals vies metabòliques

• Les principals vies metabòliques són les catabòliques (glucòlisi, fermentació, respiració, catabolisme dels lípids, pèptids i aminoàcids), les anabòliques (fotosíntesi, síntesi d'aminoàcids, glucides, lípids i nucleòtids) i les amfibòliques (cicle de Krebs).

Aprofundiu les bases del metabolisme en aquest qüestionari. Explora concepts com el catabolisme, l'anabolisme, i el rol de l'ATP en les rutes metabòliques. Testa els teus coneixements sobre la interconnexió de reaccions químiques i la bioenergètica.