04. Metabolisme i energia
- Concepte de metabolisme
- L'ATP, el NAD i el FAD
- Necessitats energètiques del cos humà
- La fatiga física i la recuperació
- Adaptacions metabòliques a l'exercici físic
1. Concepte de metabolisme 
- El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l'interior de les cèl·lules.
- Les succesions de reaccions químiques s'anomenen rutes o vies metabòliques i les molècules que hi intervenen s'anomenen metabòlits.
- Les substàncies incials (substrats) donen lloc a substàncies finals (productes).
- Les reaccions del metabolisme estan regulades per enzims, que són molt específics.
Catabolisme i Anabolisme
- Es poden considerar dues fases en el metabolisme:
- Catabolisme: És la transformació de molècules orgàniques complexes en d’altres senzilles. (→ degradació).
- En el procés s’allibera energia que s’emmagatzema en els enllaços fosfat de l’ATP.
- Les reaccions catabòliques:
- Són reaccions d’oxidació.
- Malgrat que es parteix de substrats molt diferents acaben donant els mateixos productes (CO2, H20, ...).
- Anabolisme: És la síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles. (→ construcció).
- Es necessita energia, proporcionada per l’ATP.
- Les reaccions anabòliques:
- Són reaccions de reducció
- Malgrat que es parteix dels mateixos substrats, com que hi ha molts processos diferents, apareixen molts productes.
- Al metabolisme:
- Les reaccions químiques del catabolisme i de l'anabolisme estan acoblades, ja que són interdependents des del punt de vista energètic.
- Una part de l'ATP format en les rutes catabòliques és utilitzat en les rutes anabòliques.
- Els processos d'oxidació i de reducció que caracteritzen el metabolisme estan també interrelacionats, ja que l'oxidació d'una molècula va acompanyada de la reducció d'una altra.
- Els electrons alliberats en una reacció d'oxidació són captats per altres molècules que es redueixen (guanyen electrons).
Reaccions d'oxidació i de reducció
- La majoria dels processos metabòlics inclouen reaccions en les quals es produeixen oxidacions i reduccions:
- Reaccions d'oxidació:
- Són aquelles en les quals es produeix la pèrdua d'electrons o d'àtoms d'hidrogen.
- Són principalment per deshidrogenació i per guany d'oxigen:
- Oxidacions per deshidrogenació.
- En aquest cas, una molècula perd àtoms d'hidrogen, cadascun dels quals té un electró.
- Un exemple n'és l'oxidació de l'etanol per formar acetaldehíd:
- Oxidacions per guany d'oxigen. En aquest cas, una molècula guanya un àtom d'oxigen i allibera dos àtoms d'hidrogen
- Un exemple és l'oxidació de l'etanol a àcid acètic:
- CH3-CH2OH + 02 → CH3-COOH + H20
- Reaccions de reducció:
- Quan es guanyen electrons (o àtoms d'H).
- Per exemple, en la reducció de l'àcid pirúvic per formar àcid làctic
- CH3-CO-COOH + H2 → CH3-CHOH-COOH
- Les reaccions d'oxidació i de reducció estan acoblades:
- Per que una molècula s'oxidi, és necessari que una altra es redueixi.
Els enzims
- Els enzims són el biocatalitzadors. Són molècules que posibilitan o augmenten la velocitat del les reaccions químiques dels éssers vius.
- Actuen en quantitats molt petites.
- No es consumeixen durant la reacció.
- Són molt específics.
- Actuen a temperatura ambient, és a dir, a la temperatura de l’ésser viu.
- Són proteïnes.
- La substància sobre la qual actua un enzim s’anomena substrat.
- L’enzim actua fixant el substrat a la seva superfície i així es forma l’anomenat complex enzim-substrat (ES).
- Finalitzada la transformació, queda el complex enzim-producte, que s’escindeix i allibera l’enzim intacte i el o els productes.
2. L'ATP, el Nad i el FAD
- En el tràfec d’energia entre reaccions hi juga un paper fonamental l'ATP (adenosin trifosfat).
- És capaç d'emmagatzemar o cedir energia.
- Es diu que l'ATP és la principal moneda energètica de la cèl·lula, ja que representa la manera de tenir emmagatzemat un tipus d'energia d'ús immediat.
- En els processos anabòlics, o quan la cèl·lula realitza qualque treball, l’energia s’obté a partir de l’ATP que passa a ADP.
- En els processos catabòlics se “recarrega” la molècula d’ADP que passa a ATP mitjançant l’anomenada fosforilació.
- El tràfec de poder reductor es canalitza amb el NAD i el FAD (nicotinamin adenin dinucleòtic i flavin adenin dinucleòtid):
- El NAD pot acceptar electrons d'altres molècules, a les quals oxida, o transferir-los per reduir altres molècules acceptadores.
- Per això, presenta una forma oxidada (NAD+) i una forma reduïda (NADH):
- El FAD també té una forma oxidada (FAD) i una forma reduïda (FADH2):
- De fet, el poder reductor del NAD i FAD s'utilitzen al mitocondri per produir ATP: Aquesta és la principal moneda energètica de la cèl·lula.
Usos de l'ATP
- En les cèl·lules L'ATP és la molècula que proporciona l'energia necessària per a la majoria dels processos cel·lulars, com:
- Síntesi de biomolècules complexes.
- Contracció muscular i moviment de cilis i flagels.
- Transport actiu a través de les membranes cel·lulars.
- Transmissió dels impulsos nerviosos.
- Etc.
Biosíntesi de l'ATP (fosforilació)
- L'ATP es consumeix de manera constant a les cèl·lules i la seva producció està assegurada per la:
- La glicòlisi
- La respiració cel·lular
La glicòlisi, la fermentació làctica i la respiració cel·lular
- La glicòlisi i la fermentació làctica són processos anaeròbics, ja que es duen a terme sense consum d'oxigen. Tenen lloc al citoplasma
- La glucosa, que procedeix de la sang o del glicogen, principalment muscular i hepàtic s'oxida fins a dues molècules d'àcid pirúvic (piruvat) (És la glicòlisi).
- Si no hi ha disponibilitat d'oxígen, el piruvat es redueix a àcid làctic (és la ferméntació làctica).
- La respiració cel·lular és un procés catabòlic aeròbic (precisa oxígen):
- En les eucariotes, les etapes centrals del procés es desenvolupen als mitocondris.
- Els productes finals són H2O i CO2.
- Els principals combustibles emprats són els glúcids, especialment la glucosa.
- Fases:
- Formació acetil-CoA.
- Cicle de krebs (= cicle de l’àcid cítric = cicle dels àcids tricarboxílics).
- Al llarg d’aquesta ruta circular es catalitza la descomposició de l'acetil CoA i es genera:
- CO2.
- ATP.
- Poder reductor (NADH i FADH).
- Cadena de transport d’electrons i fosforilació oxidativa.
- Es genera ATP a partir del poder reductor del NAD i FAD. Té lloc per intervenció de sistems enzimàtics situats a les crestes mitocondrials.
- Finalment, els hidrogens i electrons es combinen amb l'O2 i es forma aigua.
- Rendiment: La glicòlisi genera 2 ATPs per glucosa, mentre la respiració cel·lular en genera més de 30 ATPs per glucosa!
3. Necessitats energètiques del cos humà
- Les necessitats varien d'uns òrgans i sistemes a uns altres.
- Alguns, com el cervell, han de disposar d'un subministrament continuat de nutrients que els permeti sintetitzar l'ATP que necessiten.
- D'altres, com els músculs, tenen una demanda d'energia fluctuant.
- És necessaria la intervenció de materials de reserva.
Les reserves d'energia
- Les cèl·lules musculars acumulen ATP en forma de molècules energètiques de ràpida disponibilitat (sistema creatina-fosfocreatina).
- Moltes cèl·lules també acumulen les seves pròpies reserves d'energia en forma d'inclusions de glicogen i de lípids, principalment triglicèrids.
- Amb tot, les reserves principals d'aquestes biomolècules les trobem als teixits i en òrgans especialitzats:
- El glicogen es localitza principalment al teixit muscular i al fetge.
- Els lípids s'emmagatzemen al teixit adipós subcutani i en el que es localitza al voltant d'alguns òrgans.
- Constitueixen la reserva principal d'energia del cos
- Emmagatzemen molta energia i en poc espai, per no retenir aigua.
- La seva disponibilitat és però més lenta que la dels hidrats de carboni.
4. La fatiga física i la recuperació
- Les cèl·lules musculars poden treballar amb diferents graus d'intensitat i de durada de l'esforç, i això segons la manera d'obtenir l'energia: tres posibles mecanismes:
- Reserves d'ATP (i fosfocreatina):
- Permet mantenir una potència muscular màxima durant 10 s, més o menys el temps necessari per córrer 100 m a velocitat de rècord.
- Degradació anaeròbica de la glucosa (fermentació làctica):
- El múscul utilitza les seves pròpies reserves de glicogen com un segon nivell d'aportació d'energia.
- Es produeix quan hi ha carència d'oxigen, i genera ATP de manera molt ràpida, però amb potència muscular màxima de uns 2 min.
- Apareix la fatiga muscular, deguda a l'acumulació d'àcid làctic.
- Respiració cel·lular (aeròbica):
- És la principal font d'ATP per a les cèl·lules quan l'organisme està en repòs o fent una activitat física de llarga durada.
- Quan l'exercici físic s'allarga molt, els dipòsits de glicogen minven i els àcids grassos passen a ser la font d'energia principal.
- En darrer terme, en casos extrems, els aminoàcids s'utilitzen com a font d'energia (amb pèrdua de massa proteica).
5. Adaptacions metabòliques a l'exercici físic
