04. Metabolisme i energia

1. Concepte de metabolisme
2. L'ATP, el NAD i el FAD
3. Necessitats energètiques del cos humà
4. La fatiga física i la recuperació
5. 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:
          • CH₃-CH₂OH → CH₃-CHO + H₂
      • 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):
      • NAD⁺ + H₂ → NADH + H⁺
    • El FAD també té una forma oxidada (FAD) i una forma reduïda (FADH2):
      • FAD + H₂ → 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!

Esquema del metabolisme

Visió general. Glicòlisi i fermentació làctica

   

 CICLE DE KREBS. RESPIRACIÓ CEL·LULAR.

 

RESULTAT PROPOSAT: ESQUEMA DEL METABOLISME ENERGÈTIC

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

• Document imprimible: Fatiga i adaptacions