El Metabolisme Cel·lular: Funcions, Tipus i Regulació Enzimàtica

El Metabolisme

El metabolisme és el conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l'interior de les cèl·lules i que condueixen a la transformació d'unes biomolècules en d'altres. Les diferents reaccions químiques del metabolisme s'anomenen vies metabòliques i les molècules que hi intervenen s'anomenen metabòlits. Les substàncies finals d'una via metabòlica s'anomenen productes. Les connexions que hi ha entre diferents vies metabòliques reben el nom de metabolisme intermediari. Totes les reaccions del metabolisme estan regulades per enzims, que són específics per a cada metabòlit inicial o substrat i per a cada tipus de transformació.

Catabolisme

És la transformació de molècules orgàniques complexes en d'altres senzilles. En el procés s’allibera energia que s’emmagatzema en els enllaços fosfat de l’ATP.

Anabolisme

És la síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles, per la qual cosa es necessita energia, proporcionada per l’ATP.

Reaccions Catabòliques

• Són reaccions de degradació de molècules complexes en d’altres de més senzilles.
• Són reaccions d’oxidació.
• Desprenen energia.
• Malgrat que es parteix de substrats molt diferents, gairebé sempre donen els mateixos productes (àcid pirúvic, CO2, H2O, etanol i pocs més). Hi ha convergència de productes.

Reaccions Anabòliques

• Són reaccions de síntesi de molècules orgàniques complexes a partir d’altres biomolècules més senzilles.
• Són reaccions de reducció.
• Necessiten energia.
• Malgrat que es parteix dels mateixos substrats, com que hi ha molts processos diferents, apareixen molts productes. Hi ha divergència en els productes.

Tipus de Metabolisme

Tots els éssers vius necessiten incorporar a les seves cèl·lules molts tipus diferents d’àtoms, entre els quals el més abundant és el C. Segons la font de carboni, es poden distingir dos tipus d’organismes:

Metabolisme Autòtrof

Si la font de carboni és el CO2 atmosfèric, és a dir, el carboni inorgànic.

Metabolisme Heteròtrof

Si la font és la matèria orgànica, com per exemple la glucosa, proteïnes o triglicèrids, és a dir, formes més o menys reduïdes del carboni, o carboni orgànic.

Respecte a les diferents fonts d’energia en les reaccions metabòliques podem trobar dos processos diferents:

Fotosíntesi

Si la font d’energia és la llum.

Quimiosíntesi

Si es tracta de l’energia alliberada en reaccions químiques.

Control del Metabolisme

Les reaccions exergòniques es produeixen perquè l’energia interna total de les substàncies reaccionants o reactius és superior a l’energia interna de les substàncies produïdes o productes. No es donen espontàniament, ja que, per iniciar una reacció, primer cal subministrar prou energia per debilitar els enllaços dels reactius i així possibilitar-ne la ruptura. L’energia, expressada en calories, necessària per dur 1 mol de molècules d’una substància a una temperatura determinada fins a l’estat de transició s’anomena energia d’activació.

Per accelerar la reacció química també hi ha dues solucions: o posar-hi escalfor, i amb això augmenta l’estat de vibració de les molècules i, per tant, la possibilitat que xoquin i donin lloc als productes, o bé afegir-hi un catalitzador, és a dir, una substància que disminueixi l’energia d’activació necessària per arribar a l’estat transitori. Un augment de temperatura pot provocar la mort dels éssers vius, per això en aquest cas se segueix el segon mecanisme, és a dir, l’actuació de catalitzadors biològics o biocatalitzadors. Les molècules que exerceixen aquesta funció són els enzims.

Catalitzador

Un catalitzador és una substància, generalment un metall o un òxid metàl·lic finament dividit, que accelera la velocitat de les reaccions químiques i es manté inalterable mentre aquestes es produeixen.

Biocatalitzadors

Els biocatalitzadors són molècules que augmenten la velocitat de les seves reaccions i exerceixen un control del metabolisme determinant quines reaccions s’han de produir i en quin moment ho han de fer. Poden ser:

• Enzims
• Proteïnes globulars
• Ribozimes
• Abzims
• Vitamines
• Oligoelements
• Hormones

Els Enzims

Els enzims són els biocatalitzadors, és a dir, els catalitzadors de les reaccions biològiques. Actuen rebaixant l’energia d’activació i, per tant, augmentant la velocitat de la reacció.

Característiques dels Enzims

Igual que els catalitzadors, els enzims compleixen:

• Són substàncies que acceleren la reacció, fins i tot en quantitats molt petites. És a dir, no és que s’obtingui més producte, sinó que gràcies a aquests se n’obté la mateixa quantitat però en menys temps.
• No es consumeixen durant la reacció; per això, quan aquesta acaba hi ha la mateixa quantitat que al principi.

A diferència dels catalitzadors no biològics:

• Són molt específics, i això els permet actuar en una reacció determinada sense alterar-ne d’altres.
• Sempre actuen a temperatura ambient, és a dir, a la temperatura de l’ésser viu.
• Són molt actius, molt superiors als catalitzadors no biològics.
• Tenen un pes molecular molt elevat.

Naturalesa i Tipus d'Enzims

Poden ser: proteïnes globulars o riboenzims.

Segons l'estructura:

• Apoenzim
• Cofactor

Coenzims

Cofactor orgànic que s’uneix a un apoenzim (part proteica d’un enzim) amb enllaços febles durant un procés catalític. Els coenzims són transportadors de grups químics.

Característiques dels Coenzims

• A diferència de l’apoenzim, el coenzim sí que es modifica durant la reacció.
• La unió coenzim-apoenzim és temporal.
• No solen ésser específics d’un tipus d’apoenzim, sinó que en molts casos es poden unir a molts tipus d’apoenzims, cadascun amb una funció diferent.

Des del punt de vista químic poden ser:

• Vitamines, per exemple les vitamines del grup B.
• Nucleòtids, com ATP, CTP, UTP i GTP.
• Molècules formades per la unió de vitamines i nucleòtids, com ara NAD, NADP, FMN, i FAD que intervenen en reaccions d’oxidació-reducció, o el coenzim A, que realitza la transferència del grup acil.

Enzims Al·lostèrics

Els enzims al·lostèrics, anomenats també reguladors, estan constituïts per dues o més subunitats formades per cadenes polipeptídiques, i són, per això, proteïnes amb estructura quaternària.

Les Vitamines

Les vitamines són glúcids o lípids senzills que actuen com a coenzims (alguns després d’unir-se a altres molècules) i que, en general, els animals no poden sintetitzar o ho fan en quantitats insuficients; per això, necessiten ingerir-los en la dieta. El nom vol dir “amina vital”, ja que són necessaris per a la vida i la primera que es va aïllar era una amina.

Característiques de les Vitamines

• Són substàncies làbils, que s’alteren amb facilitat amb el canvi de temperatura, la llum o l’emmagatzematge prolongat.
• Les plantes i bacteris sintetitzen vitamines. Els animals, de vegades, no les troben formades del tot en els aliments, sinó en forma de provitamines, que necessiten transformar posteriorment. Per exemple, les vitamines A i D. En altres casos, la flora bacteriana aporta les vitamines, com la K.

Classificació de les Vitamines

• Liposolubles: Són de naturalesa lipídica. Solubles en dissolvents orgànics. L’excés pot provocar trastorns. Exemples: A, D, E i K.
• Hidrosolubles: Són solubles en aigua. Es difonen molt bé per la sang. L’excés no provoca trastorns, perquè els ronyons les filtren i s’eliminen per l’orina. Exemples: Complex B i vitamina C.

Les Hormones

Les hormones són substàncies químiques produïdes per glàndules endòcrines o de secreció interna, ja que vessen els seus productes (hormones) al medi intern (sang, hemolimfa, saba). Així doncs, les hormones actuen com a missatgers químics.

Funcions de les Hormones

Les hormones exerceixen tres funcions:

1. Estimulen la síntesi de determinades substàncies.
2. Regulen el metabolisme cel·lular.
3. Estimulen el creixement i la diferenciació cel·lular.