8 unitat 1

El metabolisme cel·lular

1.1. El concepte de metabolismeEl metabolisme cel·lular és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l’interior de les cèl·lules i que condueixen a obtenir matèria per créixer i energia per dur a terme les tres funcions vitals (nutrició, reproducció i relació).

La matèria s’inverteix per créixer, desenvolupar-se o, simplement, per mantenir la seva estructura ja que, a causa de la inestabilitat molecular, els organismes han d’estar constantment renovant la seva estructura. Per exemple, els humans reno-vem quasi tots els nostres àtoms cada dos anys.

L’energia es guarda en els enllaços químics de les substàncies de reserva energètica o, si es necessita, es transforma en energia mecànica per moure, energia calorífica per mantenir la temperatura, energia elèctrica per generar un impuls nerviós, ener-gia lluminosa per emetre llum a la nit, etc.

Donat que les cèl·lules realitzen el metabolisme per si mateixes, es diu que són autopoiètiques (del grec auto, que significa ‘per si mateix’ i de poiein, que significa ‘fer’); aquest procés és l’essència de la vida, ja que sense ell la vida no és possible.

En sentit ampli s’accepta que la digestió dels aliments, la circulació de nutrients i l’intercanvi de gasos en l’aparell respiratori puguin ser considerats com un meta-bolisme extracel·lular.

Les diferents reaccions químiques del metabolisme s’anomenen vies metabòliques i les molècules que hi intervenen s’anomenen metabòlits.

Totes les reaccions del metabolisme estan regulades per unes proteïnes anomena-des enzims, que són específics per a cada metabòlit inicial o substrat i per a cada tipus de transformació. Les substàncies finals d’una via metabòlica s’anomenen productes. Les petites vies que hi ha entre les grans vies metabòliques reben el nom de metabolisme intermediari.

En el metabolisme es poden distingir dos tipus de vies metabòliques: una de de-gradació de matèria orgànica o catabolisme i una altra de construcció de ma-tèria orgànica o anabolisme.

• El catabolisme és la transformació de molècules complexes en altres de més senzilles, procés en el qual s’allibera energia, que s’emmagatzema als enllaços fosfat d’una molècula anomenada adenosinatrifosfat (ATP).

• L’anabolisme és la síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles, per a la qual cosa es necessita subministrar energia, proporcionada pels enllaços fosfat de l’ATP. Les molècules de l’ATP poden pro-cedir de les reaccions catabòliques, de la fotosíntesi (en les algues, les plantes, les algues i els bacteris fotosintètics) o de la quimiosíntesi (en uns determinats tipus de bacteris).

Reaccions catabòliques Reaccions anabòliques

• Són reaccions de degradació.• Són reaccions d’oxidació.• Desprenen energia.• Malgrat que es parteix de substrats diferents,

gairebé sempre donen els mateixos productes (àcid pirúvic, CO2, H2O, etanol i pocs més). Per tant, hi ha convergència en els productes.

• Són reaccions de síntesi.• Són reaccions de reducció.• Necessiten energia.• Malgrat que es parteix dels mateixos

substrats, com que hi ha molts processos diferents, apareixen molts tipus de productes. Per tant, hi ha divergència en els productes.

1

Les reaccions metabòliques produeixen l’energia necessària per dur a terme totes les activitats dels éssers vius.

Esquema del metabolisme d’una cèl·lula eucariota animal.

1. Els nutrients orgànics, elaborats per altres organismes, es prenen del medi i s’incorporen

a la cèl·lula. 2. Una part d’aquesta matèria orgànica s’utilitza als mitocondris, on es produeix el catabolisme. Utilitzant oxigen, s’obté energia

i substàncies inorgàniques (aigua i diòxid de carboni). 3. Com a resultat del catabolisme es produeix diòxid de carboni, que és perjudicial i s’expulsa fora de la cèl·lula. 4. Amb l’energia

procedent del catabolisme i les substàncies orgàniques senzilles se sintetitzen grans

molècules orgàniques (anabolisme).

3

Energia

Matèria orgànica senzilla

Altres funcions

Matèria orgànica complexa

H2O

CO2

O2

1

2

4

917501de007a028.indd 8 27/5/09 11:35:50

9El metabolisme cel·lular i els enzims

El metabolisme cel·lular

1.1. El concepte de metabolismeEl metabolisme cel·lular és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l’interior de les cèl·lules i que condueixen a obtenir matèria per créixer i energia per dur a terme les tres funcions vitals (nutrició, reproducció i relació).

La matèria s’inverteix per créixer, desenvolupar-se o, simplement, per mantenir la seva estructura ja que, a causa de la inestabilitat molecular, els organismes han d’estar constantment renovant la seva estructura. Per exemple, els humans reno-vem quasi tots els nostres àtoms cada dos anys.

L’energia es guarda en els enllaços químics de les substàncies de reserva energètica o, si es necessita, es transforma en energia mecànica per moure, energia calorífica per mantenir la temperatura, energia elèctrica per generar un impuls nerviós, ener-gia lluminosa per emetre llum a la nit, etc.

Donat que les cèl·lules realitzen el metabolisme per si mateixes, es diu que són autopoiètiques (del grec auto, que significa ‘per si mateix’ i de poiein, que significa ‘fer’); aquest procés és l’essència de la vida, ja que sense ell la vida no és possible.

En sentit ampli s’accepta que la digestió dels aliments, la circulació de nutrients i l’intercanvi de gasos en l’aparell respiratori puguin ser considerats com un meta-bolisme extracel·lular.

Les diferents reaccions químiques del metabolisme s’anomenen vies metabòliques i les molècules que hi intervenen s’anomenen metabòlits.

Totes les reaccions del metabolisme estan regulades per unes proteïnes anomena-des enzims, que són específics per a cada metabòlit inicial o substrat i per a cada tipus de transformació. Les substàncies finals d’una via metabòlica s’anomenen productes. Les petites vies que hi ha entre les grans vies metabòliques reben el nom de metabolisme intermediari.

En el metabolisme es poden distingir dos tipus de vies metabòliques: una de de-gradació de matèria orgànica o catabolisme i una altra de construcció de ma-tèria orgànica o anabolisme.

• El catabolisme és la transformació de molècules complexes en altres de més senzilles, procés en el qual s’allibera energia, que s’emmagatzema als enllaços fosfat d’una molècula anomenada adenosinatrifosfat (ATP).

• L’anabolisme és la síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles, per a la qual cosa es necessita subministrar energia, proporcionada pels enllaços fosfat de l’ATP. Les molècules de l’ATP poden pro-cedir de les reaccions catabòliques, de la fotosíntesi (en les algues, les plantes, les algues i els bacteris fotosintètics) o de la quimiosíntesi (en uns determinats tipus de bacteris).

Reaccions catabòliques Reaccions anabòliques

• Són reaccions de degradació.• Són reaccions d’oxidació.• Desprenen energia.• Malgrat que es parteix de substrats diferents,

gairebé sempre donen els mateixos productes (àcid pirúvic, CO2, H2O, etanol i pocs més). Per tant, hi ha convergència en els productes.

• Són reaccions de síntesi.• Són reaccions de reducció.• Necessiten energia.• Malgrat que es parteix dels mateixos

substrats, com que hi ha molts processos diferents, apareixen molts tipus de productes. Per tant, hi ha divergència en els productes.

1.2. L’adenosinatrifosfat (ATP)L’adenosinatrifosfat o ATP és un nucleòtid de gran importància en el metabolis-me, ja que pot actuar com a molècula energètica, perquè és capaç d’emmagatze-mar o cedir energia amb molta facilitat, gràcies als seus dos enllaços esterfosfò-rics, que són capaços d’emmagatzemar, cadascun, 7,3 kcal/mol.

Quan s’hidrolitza, es trenca el darrer enllaç esterfosfòric (desfosforilació) i es pro-dueix ADP (adenosinadifosfat) i una molècula d’àcid fosfòric (H3PO4), que se sol simbolitzar com a Pi; a més, s’allibera l’energia esmentada abans:

ATP 1 H2O → ADP 1 Pi 1 energia (7,3 kcal/mol)

L’ADP també és capaç de ser hidrolitzat, de manera que es trenca l’altre enllaç es-terfosfòric, amb la qual cosa s’alliberen unes altres 7,3 kcal/mol i es produeix AMP (adenosinamonofosfat) i una molècula d’àcid fosfòric:

ADP 1 H2O → AMP 1 Pi 1 energia (7,3 kcal/mol)

La síntesi d’ATP es pot fer de dues maneres:

• Fosforilació al nivell del substrat. És la síntesi d’ATP gràcies a l’energia que s’allibera d’una biomolècula (substrat) quan es trenca algun dels seus enllaços rics en energia, com passa en determinades reaccions de la glicòlisi i del cicle de Krebs. Els enzims que regulen aquests processos s’anomenen quinases.

• Per mitjà d’enzims del grup de les ATP-sintetases. És la síntesi d’ATP per mitjà d’uns enzims especials anomenats ATP-sintetases que hi ha a les crestes dels mitocondris i als tilacoides dels cloroplasts, quan un flux de protons (H1) travessa aquests enzims.

Es diu que l’ATP és la moneda energètica de la cèl·lula, ja que representa la mane-ra de tenir emmagatzemat un tipus d’energia d’ús immediat. En totes les reaccions metabòliques en les quals es necessita energia per a la biosíntesi de molècules, s’utilitza l’ATP, com també en la contracció muscular, en el moviment cel·lular (ci-liar i flagel·lar), en el transport actiu a través de les membranes, etc. De vegades s’utilitzen per a la mateixa finalitat altres nucleòtids semblants com ara el GTP (guanidinatrifosfat), l’UTP (uridinatrifosfat) o el CTP (citidinatrifosfat).

Quan l’energia no es necessita immediatament, la cèl·lula utilitza un altre tipus de biomolècules que són capaces d’emmagatzemar molta més energia per gram, com ara el midó que s’acumula en els plasts de les cèl·lules vegetals, el glicogen que s’acumula en el citosol de les cèl·lules dels músculs i del fetge dels mamífers, i els triacilglicèrids (greixos) que s’acumulen en el citosol de les cèl·lules del teixit adi-pós. El midó i el glicogen aporten 4 kcal per gram, els triacilglicèrids, 9 kcal/g, i en canvi, l’ATP només aporta 0,014 kcal/g.

N

N N

N

NH2

Adenosinatrifosfat (ATP) Adenosinadifosfat (ADP)

O

CH2 2 O2 P 2 O , P 2 O , P 2 OH

O O O

OH OH OH

5 5 5

H2O

H2O

N

N N

N

NH2

O

CH2 2 O2 P 2 O , P2 OH1 HO 2 P2 OH 1 E

O O O

OH OH OH

5 5 5

àcidfosfòric

Energia

H2O

H2O

ATP ADP 1 Pi 1 energia (7,3 kcal/mol)

Estructura de l’ATP i reacció de la desfosforilació en ADP. Com que l’ATP es troba dissolt, tots els grups 2OH representats, en realitat, estan ionitzats com a àcids alliberant protons (H1).

Model tridimensional d’una molècula d’ATP.

917501de007a028.indd 9 27/5/09 11:35:59

10 unitat 1

1.3. Els tipus de metabolismePer créixer i desenvolupar-se, tots els éssers vius necessiten incorporar matèria, i per això requereixen tota mena d’àtoms. D’aquests, els més importants són els àtoms de carboni, que, gràcies als enllaços covalents, formen l’esquelet de totes les biomolècules orgàniques.

Segons la font de carboni hi ha dos tipus de metabolisme.

• Quan la font és diòxid de carboni (CO2) atmosfèric (és a dir, la forma oxidada del carboni o carboni inorgànic), es parla de metabolisme autòtrof.

• Si la font és la mateixa matèria orgànica, com ara metà, glucosa, greixos, etc. (és a dir, formes més o menys reduïdes del carboni o carboni orgànic), es parla de metabolisme heteròtrof.

Pel que fa a les fonts d’energia per a les reaccions metabòliques, si la font d’energia és la llum, es parla de fotosíntesi, mentre que si es tracta d’energia despresa en reaccions químiques, es parla de quimiosíntesi.

Tipus d’organismes segons el seu metabolisme

Origen de l’energia

Origen del carboni Exemples

Fotolitòtrofs (o fotoautòtrofs)

Llum CO2 Plantes superiors, algues, cianobacteris, bacteris porprats del sofre i bacteris verds del sofre

Fotoorganòtrofs (o fotoheteròtrofs)

Llum Orgànic Bacteris porprats no sulfuris

Quimiolitòtrofs (o quimioautòtrofs)

Reaccions químiques

CO2 Bacteris nitrificants i bacteris incolors del sofre

Quimioorganòtrofs (o quimioheteròtrofs)

Reaccions químiques

Orgànic Animals, fongs, protozous i molts bacteris

Modalitats del metabolisme.

Activitats

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 Quina és la diferència més important entre la fotosíntesi i la quimiosíntesi?

3 En general, què subministren a la cèl·lula els processos catabòlics?

4 Què diferencia els organismes litòtrofs dels organòtrofs? Esmenta’n exemples.

917501de007a028.indd 10 27/5/09 11:35:59