TEMA 9. Como obteñen enerxía as células a partir do alimento

Transcript

1 TEMA 9. Como obteñen enerxía as células a partir do alimento As células requiren unha provisión constante de enerxía que provén da presente nas unións químicas das moléculas alimentarias. As máis importantes na subministración de combustíbel son os azucres. As plantas fabrícanos pola fotosíntese e os animais obtéñenos inxerindo outros organismos. O proceso polo cal estas substancias se oxidan e xeran enerxía é moi similar en animais e plantas. As células do organismo colleitan enerxía útil da que atopa pechada nas unións químicas dos azucres a medida que a molécula se degrada e oxida a CO 2 e H 2 O. Esta enerxía almacénase como unións químicas de alta enerxía en moléculas transportadoras activadas (ATP, NADPH) que serven como fontes transportábeis dos grupos químicos e electróns que se requiren na biosíntese. Se unha molécula (glicosa) se oxidara a CO 2 e H 2 O nun só paso liberaría unha cantidade de enerxía maior ca que calquera molécula pode capturar. As células vivas empregan enzimas para levar a cabo a oxidación nunha serie de reaccións fortemente controladas, degrádanse paso a paso e desembólsase a enerxía en paquetes pequenos cara as moléculas transportadoras. 1. A descomposición dos azucres e as graxas (páx. 428) As células animais fabrican o ATP de 2 maneiras. Unha: pasos específicos dunha serie de reaccións catalizadas por enzimas adáptanse coa reacción desfavorábel ADP + P i ATP. As reaccións requiridas para impulsar este proceso oxidan moléculas alimentarias. Segundo proceso: ten lugar na mitocondria e emprega a enerxía das moléculas transportadoras para levar adiante a produción de ATP. 1.1 As moléculas alimentarias degrádanse en 3 estadios Proteínas, lípidos e polisacáridos compoñen a maior parte do alimento que inxerimos, débense degradar en moléculas máis pequenas antes de que as nosas células poidan empregalas. Os procesos de descomposición comezan no estadio 1 (a dixestión) que se produce fóra das células. Unha membrana que rodea o lisosoma mantén separadas do citosol as súas enzimas dixestivas. As enzimas dixestivas reducen as moléculas poliméricas ás súas unidades monoméricas: proteínas en aminoácidos, polisacáridos en azucres e graxas en ácidos graxos e glicerol. As moléculas orgánicas pequenas ingresan no citosol da célula e comeza a súa oxidación gradual. Prodúcese en 2 estadios adicionais: estadio 2 (comeza no citosol e remata na mitocondria) e estadio 3 (confinado á mitocondria). Estadio 2: unha cadea de reaccións (glicólise) converte cada molécula de glicosa en 2 de piruvato. Outros azucres tamén se converten niso, despois de pasar por uns dos azucres intermedios do ciclo. Durante a formación prodúcense 2 tipos de moléculas ATP e NADPH. O piruvato pasa despois do citosol á mitocondria, alí cada molécula convértese en CO 2 máis un grupo acetilo de 2C; este fíxase á coenzima A (CoA). Grandes cantidades de acetil CoA prodúcense pola descomposición e oxidación gradual dos ácidos graxos. Son

2 transportados na corrente sanguínea, ingresados nas células e logo mobilizados cara as mitocondrias para a produción de acetil CoA. Estadio 3: ten lugar dentro da mitocondria. Xa que o grupo acetilo do acetil CoA se vincula coa coenzima A a través dunha unión de alta enerxía é fácil transferilo a outras moléculas. Despois da súa transferencia á molécula de 4C do oxalacetato, entra no ciclo do ácido cítrico. O grupo acetilo oxídase a CO 2 e xera grandes cantidades do portador de electróns NADH. Os electróns de alta enerxía do NADH pasan ao longo dunha cadea transportadora de electróns dentro da membrana interior da mitocondria, a enerxía liberada emprégase para conducir un proceso que produce ATP e consume O 2. A enerxía liberada pola oxidación aprovéitase para producir a maior parte do ATP celular. A fosforilación do ADP para formar ATP, inducida polo transporte de electróns na membrana interna da mitocondria, chámase fosforilación oxidativa. O ATP xerado móvese dende a mitocondria cara o citosol para ser empregado cando a célula o requira. A través da produción de ATP a enerxía derivada da degradación dos azucres e graxas redistribúese en paquetes de enerxía química dunha forma máis conveniente moléculas de ATP están en solución dunha célula típica e recíclanse cada 1-2 minutos. Case a metade de enerxía que podería derivarse da oxidación da glucosa/ácidos graxos captúrase e emprégase para impulsar a reacción desfavorábel ADP + P i ATP. O resto libérase en forma de calor o que nos axuda a manter os nosos corpos quentes. 1.2 A glicólise é unha vía central de produción do ATP O proceso máis importante do estadio 2 é a degradación da glicosa nunha secuencia de reaccións (glicólise) que produce ATP sen comprometer o osíxeno molecular. En case tódalas células ten lugar no citosol. Unha molécula de glicosa (6C) divídese en 2 de piruvato (3C). Por cada molécula de glicosa, consómense 2 moléculas de ATP para proporcionar a enerxía que impulse o ciclo, despois prodúcense 4 moléculas de ATP nas etapas finais. Ganancia neta de 2 moléculas de ATP / molécula de glicosa. Este proceso comprende unha secuencia de 10 reaccións separadas e cada unha delas produce un intermediario diferente de azucre catalizado por unha enzima diferente. A maior parte das enzimas que catalizan a glicólise teñen nomes que rematan en asa que especifican o tipo de reacción que catalizan. Aínda que non hai osíxeno, prodúcese oxidación, na que o NAD + transfire electróns (e pasa a NADH) dalgúns carbonos derivados da molécula de glicosa. A natureza gradual do ciclo permite que a enerxía de oxidación se libere en paquetes pequenos, moita dela pódese almacenar en moléculas transportadoras. Algo da enerxía

3 liberada dá lugar a síntese directa de moléculas de ATP a partir de ADP e P i, mentres que a maior parte permanece cos electróns no transportador de alta enerxía NADH. Fórmanse 2 moléculas de NADH / molécula de glicosa. Nos organismos aerobios estas moléculas de NADH doan os seus electróns á cadea transportadora. Os electróns circulan ao longo da cadea cara o osíxeno molecular, formando auga e o NAD + vólvese empregar para a glicólise. 1.3 As fermentacións permiten a produción de ATP en ausencia de osíxeno. A glicólise representa só un preludio do terceiro e ultimo estadio. Nestas células o piruvato formado transportase rapidamente cara as mitocondrias, convértese en CO 2 máis acetil CoA, que logo se oxida orixinando CO 2 e H 2 O. Para moitos organismos anaerobios (que non empregan o osíxeno molecular), a glicólise é a fonte principal de ATP. O mesmo ocorre en certos tecidos animais: músculo esquelético, que pode funcionar con niveles baixos de osíxeno molecular. Nestas condicións anaerobias os electróns do piruvato e do NADH permanecen no citosol. O piruvato convértese en produtos excretados pola célula: lactato no músculo ou etanol e CO 2 na fermentación da cervexa e o pan. O NADH cede os seus electróns e convértese en NAD + para manter as reaccións da glicólise. As vías que proporcionan enerxía anaerobia chámanse fermentacións. Os estudos das fermentacións levadas a cabo por fermentos, inspiraron gran parte da bioquímica máis temperá. Conduciron ao sorprendente coñecemento de que estes procesos se podían estudar fóra dos organismo viventes. Tornou posíbel separar cada unhas das reaccións individuais no proceso de fermentación. 1.4 A glicólise ilustra como se adaptan as enzimas coa oxidación para o almacenamento da enerxía. Empregamos a analoxía da roda de palas para explicar como as células colleitan enerxía útil a partir da oxidación das moléculas orgánicas empregando enzimas para adaptar unha reacción desfavorábel dende o punto de vista enerxético cunha favorábel. 2 das reaccións centrais da glicólise (pasos 6 e 7) converten ao azucre intermedio de 3C gliceraldehido-3-fosfato (aldehido) no 3- fosfoglicerato (ác. Carboxílico). Isto

4 ocasiona a oxidación dun grupo aldehido a un grupo carboxílico en 2 pasos. A reacción global libera a suficiente enerxía para converter un ADP nun ATP e transferir 2 e - dende o aldehido ao NAD + para formar NADH e aínda queda bastante enerxía como para determinar que a reacción sexa favorábel. As reaccións químicas indicadas son conducidas de forma rigorosa por 2 enzimas ás que se unen os azucres intermedios. A primeira enzima (gliceraldehido-3-fosfato deshidroxenasa) forma unha unión covalente de curta vida co aldehido por medio do grupo reactivo SH e cataliza a súa oxidación dende este estado de unión. Un ión fosfato inorgánico despraza despois a unión da enzima reactiva- substrato para producir un fosfato intermedio de alta enerxía, que se libera da enzima. O intermediario únese a segunda enzima (fosfoglicerato cinasa) que cataliza a transferencia enerxética favorábel do fosfato ao ADP para formar ATP e completa o proceso de oxidación. Este proceso particular é un claro exemplo do almacenamento de enerxía mediado por enzimas a través de reaccións adaptadas. Os pasos 6 e 7 son os únicos na glicólise que crean unha unión fosfato de alta enerxía a partir dun fosfato inorgánico. Dan conta da ganancia real de 2 moléculas de ATP e 2 de NADH. 1.5 Tanto os azucres como as graxas degrádanse a acetil CoA na mitocondria O estadio 3 do catabolismo require osíxeno abundante. A Terra desenvolveu unha atmosfera con O 2 fai millóns de anos e sabemos que existiu vida dende fai 3500 millóns de anos. O emprego de O 2 nas reaccións é de orixe recente. Os mecanismos empregados para producir ATP non requiren osíxeno e é moi posíbel que dentro de pouco sexan substituídos por outros que si o necesiten. No metabolismo aerobio o piruvato producido pola glicólise descarboxílase con rapidez por medio de complexos xigantes de 3 enzimas (complexo da piruvato hidroxenasa). Os produtos don unha molécula de CO 2, unha de NADH e acetil CoA. O complexo localízase na mitocondria das células eucariotas. As enzimas que degradan os ácidos graxos producen acetil CoA na mitocondria da mesma maneira. Cada ácido graxo desintégrase por completo por medio dun ciclo de reaccións que corta 2C do extremo carboxi, xerando unha molécula de acetil CoA por cada volta de ciclo. Prodúcese tamén unha molécula de NADH e unha de FADH 2. Azucres e graxas son as principais fontes de enerxía dos organismos non fotosintéticos. A maior parte da enerxía útil que se pode extraer da oxidación permanece almacenada nas moléculas de acetil CoA producidas polas reaccións descritas. As reaccións do ciclo de Krebs son centrais no metabolismo da enerxía dos organismos aerobios. Nos eucariontes todas estas reaccións teñen lugar nas mitocondrias. As bacterias aerobias levan a cabo todas as súas reaccións nun compartimento único, o citosol. 1.6 O ciclo do ácido cítrico xera NADH por oxidación dos grupos acetilo a CO 2.

5 No século XIX descubriron que en ausencia de aire as células producen ácido láctico ou etanol, en presenza de aire consumen O 2 e producen CO 2 e H 2 O. Para definir as vías do metabolismo aerobio concentraron os seus esforzos na oxidación do piruvato e descubriron o ciclo do ácido cítrico/ ciclo de Krebs. Da conta de arredor de 2 terzos da oxidación total dos compostos con carbono e os seus principais produtos son CO 2 e electróns de alta enerxía en forma de NADH. O CO 2 libérase como produto de refugallo e os electróns pasan a unha cadea de transporte unida a membranas, que se combinan finalmente co O 2 para producir H 2 O. O ciclo en si non emprega o O 2, requíreo para seguir o seu curso xa que non existe outra maneira para que o NADH de desembarazarse dos seus electróns e xerar NAD +, que fai falla para manter o ciclo activo. O ciclo do ác. Cítrico ten lugar na mitocondria, cataliza a oxidación completa dos átomos de C dos grupos acetilo na acetil CoA e convérteos en CO 2. Pero o grupo acetil non se oxida de forma directa, transfírese a unha molécula máis grande (4C) o oxalacetato, para formar o ác. Cítrico (6C). A molécula oxídase de forma gradual e a enerxía aprovéitase para producir moléculas portadoras ricas en enerxía. A cadea de 8 reaccións forma un ciclo porque o oxalacetato rexenérase ao final. Ademais das 3 moléculas de NADH, cada volta do ciclo produce: FADH 2 (flavin adenina dinucleótido reducido) a partir de FAD e unha molécula do ribonucleótido GTP (guanosina trifosfato) a partir do GDP. Como o NADH, o FADH 2 é un portador de e - de alta enerxía e H. A enerxía que se almacena nos electróns emprégase para producir ATP por medio dunha fosforilación oxidativa, o único paso no catabolismo oxidativa dos produtos que require O 2 en forma directa. Os átomos de osíxeno requiridos para elaborar CO 2 a partir dos grupos acetilo non os subministra o osíxeno molecular senón a auga. En cada ciclo divídense 3 moléculas de auga e os átomos de osíxeno dalgunhas delas empréganse para elaborar CO 2. Ademais do piruvato e dos ácidos graxos, algúns aminoácidos pasan dende o citosol cara a mitocondria, convértense tamén en acetil CoA ou un dos demais intermediarios do ciclo de Krebs. Na célula eucarionte a mitocondria é o centro cara o cal conducen tódolos procesos produtores de enerxía. O ciclo de Krebs, actúa como punto de partida de reaccións biosintéticas importantes para producir intermediarios vitais como o oxalacetato e o α-cetoglutarato. 1.7 O transporte de electróns impulsa a síntese da maior cantidade de ATP na maioría de células. É no último paso da oxidación dunha molécula cando se libera a maior parte da súa enerxía química. Os portadores de electróns NADH e FADH 2 transfiren os electróns que gañaran cando se oxidaran outras moléculas na cadea de transporte de electróns. Os e - circulan por esta longa cadea de moléculas especializadas en aceptar/doar e - e caen sucesivamente e estados de menor enerxía. A enerxía que liberan emprégase para

6 conducir os ións H + a través da membrana (dende o compartimento interno da mitocondria ao exterior), xérase un gradiente de ións H +. Serve como fonte de enerxía, aprovéitase para impulsar unha variedade de reaccións como a xeración de ATP pola fosforilación do ADP. Ao final desta serie de transferencias pásanse os e - ás moléculas de O 2, combínanse cos protóns H + e producen H 2 O. Os e - acadaron o seu nivel máis baixo de enerxía polo tanto extraeuse toda a enerxía dispoñíbel da molécula do alimento (fosforilación oxidativa). A oxidación completa dunha molécula de glicosa a H 2 O e CO 2 produce cerca de 30 moléculas de ATP, coa glicólise só se producen O almacenamento e o emprego do alimento (páx. 444) Tódolos organismos necesitan restablecer os seus depósitos de ATP de forma constante. Os animais só teñen acceso periódico ao alimento e as plantas deben sobrevivir toda a noite, por iso desenvolveron medios para almacenar moléculas. 2.1 Os organismos almacenan moléculas alimentarias en reservorios especiais Para compensar os períodos de xaxún ( ayuno ) os animais almacenan o alimento dentro das células. Os ácidos graxos deposítanse como gotas de graxa nas células graxas especializadas. O azucre almacénase en gránulos pequenos no citoplasma de moitas células. A síntese e degradación do glicóxeno regúlase segundo a necesidade. Cando se require máis ATP do que se pode obter das moléculas dos alimentos que hai no torrente sanguíneo, as células desintegran o glicóxeno nunha reacción que produce glucosa 1-fosfato e ingresa na glicólise. A graxa é unha forma de almacenamento moito máis importante que o glicóxeno. A oxidación dun gramo de graxa libera 2 veces máis enerxía ca oxidación dun gramo de glicóxeno. O glicóxeno compromete unha gran cantidade de auga (6 veces a masa del) polo que fai falla moito máis espazo para almacenalo que o empregado para a graxa. Se o fora a nosa fonte principal de almacenamento habería que incrementar uns 30Kg o noso peso corporal. O corpo almacena glicóxeno para un día e graxa para un mes. A maior parte da nosa graxa deposítase no tecido adiposo que se libera no torrente sanguíneo para outras células a empreguen segundo as súas necesidades. Estas aparecen despois dun período de non comer, o xaxún nocturo conduce a mobilización da graxa, pola mañá a maior parte do acetil CoA que ingresa no ciclo de Krebs deriva dos ác. graxos. Despois dunha comida a maior parte do acetil CoA provén das moléculas dos alimentos, calquera exceso de glicóxeno empregarase para encher de novo os depósitos. As plantas converten algo dos azucres en graxa e amidón (polímero da glicosa). As graxas nas plantas son triacilglicerois e difiren só das dos animais nos tipos de ác. graxos que predominan. Deposítanse nos cloroplastos e serven como reservorio de alimentos para producir ATP en períodos de escuridade. Os embrións no interior das sementes deben vivir de fontes de enerxía almacenada por períodos prolongados, ata que xerminan e son capaces de aproveitar a luz do sol. Requiren estes materiais para construír as paredes celulares e sintetizar moitas outras moléculas biolóxicas. As sementes conteñen cantidades grandes de graxa e amidón, o que as converte na principal fonte de alimento para os animais.

7 2.2 Os cloroplastos e as mitocondrias colaboran nas células vexetais Os cloroplastos poden desempeñar un papel central no metabolismo enerxético nas células vexetais, ao empregar a enerxía da luz para producir ATP e NADPH por medio do proceso de fotosíntese. Neste orgánulos prodúcense os azucres por un proceso de fixación do C que require estes transportadores activados. A membrana interna é impermeábel tanto ao NADPH como ao ATP, polo que non se poden exportar ao resto da célula. Pero empréganse para producir azucres que exportan ao citosol, que abastecen á mitocondria (lugar onde se sintetiza a maior cantidade de ATP polas mesmas vías que nas cél. animais). Estes azucres tamén se empregan para producir bloques de construción e o resto de metabolitos que necesitan as células. 2.3 Moitas vías biosintéticas comezan coa glicólise ou con ciclo de Krebs O catabolismo produce dende enerxía para a célula ata bloques de construción para fabricar moitas das moléculas da células. Moitos dos intermediarios formados na glicólise e no ciclo de Krebs son absorbidos por outras vías biosintéticas e as enzimas empréganos para producira aminoácidos, nucleótidos, lípidos e outras moléculas pequenas. A existencia de tantas vías ramificadas require que se regule coidadosamente a elección de cada unha. 2.4 O metabolismo está organizado e regulado Todas estas reaccións prodúcense nunha célula que é menos dun 0,1 mm de diámetro e cada paso require unha enzima diferente. A mesma molécula a miúdo forma parte de varias vías que teñen que competir por ela e ocorre isto con miles de pequenas moléculas. O equilibrio dunha célula é sorprendentemente estábel. Cando algo o perturba a célula reacciona para volver ao estado inicial. A célula continua o seu funcionamento durante o xaxún ou a enfermidade, as mutacións poden danar/eliminar diferentes vías, pero se conserva certos requirimentos mínimos sobrevive.