Metabolismoa: kontzeptu orokorrak eta ibilbideak

Metabolismoa: kontzeptu orokorrak

Metabolismoa erreakzio kimiko guztien multzoa da; erreakzio bakoitza entzima batek katalizatuta dago. Metabolismoaren helburuak:

• Ingurunetik energia eskuratzea, elikagaietatik edo argitik.

Kanpoko mantenugaietatik molekula aitzindariak lortzea; adibidez, aminoazidoak, nukleotidoak eta abar. Makromolekulak sintetizatzea.

• Erreakzio kimiko endergonikoak eta exergonikoak.

Exergonikoek energia askatzen dute; endergonikoek energia behar dute. Exergonikoak aldapan behera doaz energiari dagokionez (ΔG negatiboa) eta, beraz, berezkoak dira. Endergonikoak, alderantziz, aldapan gora doaz (ΔG positiboa) eta ez dira berezkoak. Adibidez, aminoazidoak lotzea proteina bat ekoizteko prozesu endergonikoa da. Glukosaren oxidazioa prozesu exergonikoa da. Zelulek erreakzio endergonikoak egiteko, erreakzio exergonikoekin akoplatzen dituzte.

• Erreakzio metabolikoak akoplatuta daude, ibilbide metabolikoak eratuz.

Bi erreakzio kimiko akoplatuta egoteko, lehenengoaren produktua bigarrenaren erreaktiboa izan behar da. Era honetan batu daitezke ΔG aldaketak: batek askatzen duen energia erabil daiteke bestea egiteko:

glukosa + fruktosa -> sakarosa + H₂O endergonikoa da: ΔG = +5,5 Kcal/mol. Zelulek era honetan egin dezakete:              glukosa + ATP -> glukosa-1-P + ADP

glukosa-1-P + fruktosa -> sakarosa + P + H₂O. Batuketa eginda: glukosa + ATP + fruktosa -> sakarosa + ADP + P + H₂O

Bi erreakzioen ΔG batuz ΔG berria: -1,8 Kcal/mol.

• Metabolismoa bi fasetan zatitzen da: katabolismoa eta anabolismoa. Katabolismoan degradazio-erreakzio kimikoak ditugu; anabolismoan sintesi-erreakzioak. Ibilbide katabolikoak exergonikoak dira; anabolikoak endergonikoak. Katabolismoan askatzen den energia beharrezkoa da:

erreakzio anabolikoak egiteko, lan mekanikoa: muskulu-uzkurdura, garraio aktiboa.

• Organismoen sailkapena energia eta materia-iturriaren arabera.

Energia-iturriaren arabera: fototrofoak, kimiotrofoak.

Matteria-iturriaren arabera: litotrofoak (autotrofoak) eta organotrofoak (heterotrofoak).

• Zelulek behar duten energia molekula organikoak oxidatuz lortzen dute:

Oxidazioa ez da oxigenoak irabaztea soilik; modu orokorrean oxidazio prozesuan elektroiak transferitzen dira atomo batetik bestera. Elektroiak ematen dituena oxidatzen dela esaten da; hartzen dituena, berriz, erreduzitzen dela.

Oxidazioa eta erredukzioa aldi bereko prozesuak dira: batek elektroiak ematen baditu beste batek hartu behar ditu. Hortaz, erreakzio hauek oxidazio-erredukzio erreakzioak deitzen dira. Elektroiak ematen dituena erreduktorea da eta hartzen dituena oxidatzailea da.

Askotan molekula batek elektroi bat (e^-) irabaztean protoi bat (H⁺) ere hartzen du ingurunetik. Emaitzan, molekulak hidrogeno bat irabazi du; hau dela eta, hidrogenazioa erredukzioa da eta deshidrogenazioa oxidazioa.

Nola jakin daiteke molekula organikoetan erreakzio kimiko batean ia elektroiak transferitu diren? Horretarako parekatu behar dira erreaktiboaren eta produktuaren oxidazio-zenbakia. Hau kalkulatzeko kontuan hartu behar dira ondorengo balioak:

Oxigenoa = -2                    Hidrogenoa = +1                 Molekula neutroa bada, guztira 0

g) ATPa: garraiatzaile aktibatu garrantzitsua

Molekula erregaien oxidazioan askatzen den energia ez da erabiltzen era zuzenean biosintesi erreakzioetan, baizik eta molekula berezi batzuk (molekula garraiatzaile aktibatuak) sortzeko. Molekula hauek energia handiko lotura kimikoa dute eta era honetan garraiatzen da oxidazioan askatutako energia behar den lekuetara. Horietako bat, garrantzitsuena, ATPa da.

Egitura kimikoa: adenosina-5'-trifosfatoa da.

Fosfato taldeen arteko loturak (anhidrido fosforikoak) energia handiko loturak dira: bi azidoren artekoa, ez nahastu ester loturarekin.

Molekula erregaien energia hartzen du eta energia behar duten prozesuei ematen die. Fosforilazioa energia askatzen duten erreakzioekin akoplatzen da. ATParen hidrolisia energia askatzen duten erreakzioekin akoplatzen da.

• ATPa erabiltzen da: biosintesian (anabolismoan) — gogoratu sakarosaren adibidea.
• Lan mekanikoan: uzkurdura.
• Garraio aktiboan.

Fosforilazio motak: substratu-mailakoa eta elektroi-garraioari lotutakoa (fosforilazio oxidatiboa eta fotofosforilazioa). Substratu-mailakoan ibilbide katabolikoan energia handiko konposatu fosforilatua sortzen da, ATPa baino indartsuagoa fosfato taldeak ematean. Horrela, konposatu horrek ADPari ematen dio P talde bat eta ATP sortzen da. ATParen energia tartekoa da. Beste motak utziko ditugu arnasketa eta fotosintesia ikusten ditugunerako.

ATPa ez da biltzen; eratu eta kontsumitzen da eten gabe.

h) NAD eta NADP: elektroi garraiatzaile garrantzitsuak

Nikotinamida adenina dinukleotidoa (NAD)

Goiko eraztuna nikotinamida da eta niazina bitaminatik dator.

Adenosinaren 2' karbonoan fosfato taldea badago, NADP sortzen da.

Funtzionamendua: SH₂ + NAD⁺ + 2 e^- → S + NADH + H⁺. SH₂: substratu erreduzitua; S: substratu oxidatua.

SH₂-ak bi hidrogeno eta bi elektroi ematen ditu. NAD⁺ bi elektroi hartzen ditu baina H bat bakarrik; bestea, H⁺ eran, disoluziora pasatzen da.

FAD beste elektroi garraiatzaile bat da: flavina adenina dinukleotidoa. Honek bi H eta bi elektroi hartzen ditu substratuetatik, FADH₂ bihurtuz.

NAD⁺ eta NADP⁺ eta FAD erreduzitzeak energia behar du eta oxidatzen den konposatu kimiko batetik hartzen da. Gero, garraiatzaile erreduzitu hauek eman ditzakete xurgatutako energia, elektroiak emanez, beste prozesu batzuetan. NADH katabolismoan eta NADPH anabolismoan erabiltzen da. Gertatzen diren erreakzio kimiko hauek deshidrogenaseek katalizatzen dituzte.

KATABOLISMOA

Molekula organikoetatik energia eskuratzeko gertatzen diren prozesuak biltzen ditu. Beraz, hemen elikagaietatik energia nola eskuratzen dugun ikasiko dugu.

Katabolismoaren eskema orokorra: zelula mota guztietarako balio du. Ibilbide kataboliko nagusiak dira: A) azetilkoentzimaren eraketa molekula erregai mota guztietatik hasita; B) azido zitrikoaren zikloa (edo Krebs zikloa) NADH molekulak sortzeko; C) NADHen elektroien garraioa arnas katean eta fosforilazio oxidatiboa.

A) Gluzidoen katabolismoa

• Elikagaietako gluzidoak liserio hodian hidrolizatzen dira glukosa molekulak eta beste monosakarido batzuk sortuz, odolera joango direnak. Glukosa etor daiteke, baita ere, erreserba-polisakaridoetatik.
• Glukolisa
  • Ibilbide kataboliko honetan glukosa-molekula batetik bi molekula pirubato eskuratzen dira.

glukosa ------------ > 2 COO^--CO-CH₃

Glukosaren molekula erditik zatitzen da.

Derrigorrezko ibilbidea da monosakaridoen katabolismoan: bide nagusia da.

• Prozesuak ez du oxigenorik behar eta zitosolean gertatzen da. Halere, oxidazioa gertatzen da.

c. Ibilbide kataboliko honetan, 10 erreakzio entzimatikoz osatuta, bi fase bereiz daitezke:

1. Lehenengo fasean bi glizeraldehido-3-fosfato lortzen dira; bi ATP kontsumitzen dira. Hurrengoa prestatzeko fasea da; substratuak maila energetiko egokiagoan jartzen dira. Beste monosakaridoak fase honetan sartzen dira glukolisian.

Erreserba-glukogenoaren apurketa (glukogenolisia) fosforolisia da, glukosa-1-fosfatoa emanez. Gero glukosa-6-P bihurtzen da glukolisian sartu ahal izateko.

2. Bigarrenean aurrekoak bi pirubato-molekula bihurtzen dira eta 4 ATP (substratu-mailako fosforilazioak) eta 2 NADH eskuratzen dira.

• Erredox erreakzio kimiko bat gertatzen da: glizeraldehido-3-fosfatoaren aldehido taldea oxidatzen da azido taldea emanez. Elektroiak NAD⁺-ak hartzen ditu (bi), NADH bihurtuz. Prozesu honetan askatzen den energia erabiltzen du entzimak Pi eransteko, 1,3-bisfosfoglizeratoa emanez. Horrela energia handiko fosfato-lotura (anhidridoa) sortzen da, ATParena baino handiagoa.
• Aurrekoa erabiltzen da substratu-mailako fosforilazioa egiteko: ATP sortzen da 1,3-bisfosfoglizeratoa + ADP -> ATP + 3-fosfoglizeratoa.
• 3-fosfoglizeratoan dagoen fosfato taldea estera da, ez du energia handirik. Eraldaketa batzuen bitartez 3-fosfoglizeratoa fosfoenolpirubato bihurtzen da. Honen hidrolisiaren energia -14,8 kcal/mol-koa da, fosfato-konposatuen artean handiena.
• Substratu-mailako fosforilazioa. ATP eta pirubatoa sortzen dira:

Fosfoenolpirubatoa + ADP -> ATP + Pirubatoa

d. Glukolisiaren ekuazio orokorra: Zer sartu da? Zer atera da?

glukosa + 2 ADP + 2 P + 2 NAD⁺     --------------> 2 Pirubato + 2 ATP + 2 H₂O + 2 NADH + 2 H⁺

Oxidazio-zenbakiak glukosan eta pirubatoan.

Energia ATPan eta NADHan bildu da. Baina pirubatoan, oraindik, energia gehiago dago.

• Egoera anaerobikoetan pirubatoa laktato edo etanol bihurtzen da: hartzidura. Glukosa hartzitu egiten dela esaten da. Edo pirubatoak hartzidura ibilbidea hartzen duela.

• Hartzidura laktikoan gertatzen den pirubatoaren eraldaketa: Pirubatoa + NADH + H⁺ → Laktatoa + NAD⁺
• Hartzidura alkoholikoan gertatzen dena: Pirubatoa -> Azetaldehidoa + CO₂. Azetaldehidoa + NADH + H⁺ → Etanola + NAD⁺

Hartzidura molekula erregaietatik energia eskuratzeko antzinako ibilbidea dela uste da. Antzinako atmosferak ez zeukan oxigenorik. Hau fotosintesiak sortu zuen. Arnasketa energia eskuratzeko ibilbide modernoa da, baina hartziduraren zatirik gehiena (hau da, glukolisa) ezinbesteko ibilbidea da glukosaren arnasketan ere. Hots, arnasketa ez da beste modu bat glukosa oxidatzeko, baizik eta antzinako ibilbidean sortutako pirubatotik energia gehiago eskuratzea, guztiz oxidatuz.

Zelula batzuek hartzidura baino ezin dute egin eta anaerobio hertsiak dira; hauetako batzuentzat oxigenoa kaltegarria da. Beste zelula batzuek aukerazkoak dira: oxigenoa badago arnasketa egingo dute; oxigenorik ezean hartzidura egiten dute.

Zertarako egiten da pirubatoaren eraldaketa hartziduran? Erreakzio hauen helburua NAD⁺ berreskuratzea da, ibilbidea berriro hasi ahal izateko. Beraz, NADHak duen energia ezin da erabili. Azkeneko produktuak (laktatoa, etanola, CO₂) kanporatzen dira; iraitz produktuak dira, nahiz eta laktatoak eta etanolak energia baduten.

Hartzidurak egiten dituzten zelulak eta beren garrantzia:

• Hartzidura laktikoa:
  • Muskulu zelulak, oxigeno gutxi dagoenean.
  • Bakterio batzuk: Lactobacillus generokoek yogurra sortzen dute.
• Hartzidura alkoholikoa: legamiak. Ardoa, garagardoa, ogia... sortzen dituzte.
• Badaude beste hartzidura batzuk: heterolaktikoa, azetikoa, ustelak.

Egoera aerobikoetan pirubatoa mitokondrian sartu eta honen matrizean azetil-CoA bihurtuko da. Gogoratu behar da mitokondrien egitura:

• Kanpoko mintza iragazkorra da porina izeneko proteina oso aberatsa delako; proteina honek erreten hidrofiliko handia uzten du, 5000 daltoneko molekulak pasa daitezke.
• Barneko mintza iragazkaitza da eta beharrezko substratuak igarotzeko proteina garraiatzaileak ditu. Hauetako batek pirubatoa sartzen du mitokondrian.

Behin mitokondrian, matrizean dagoen pirubato deshidrogenasa konplexu entzimatikoaren bitartez azetil-CoA bihurtuko da:

Pirubatoa + CoA + NAD⁺ -> Azetil-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

- Deskarboxilazio oxidatiboa gertatzen da: karboxilo taldea kentzen da CO₂ bihurtuz eta oxidazioa gertatzen da NADH sortuz.

- A koentzima azilo taldeen garraiatzaile garrantzitsua da. Bere egituran -SH taldea dauka azilo taldearekin lotzeko. Kasu honetan azio taldea azetiloa da. Azetilkoentzimak azetilo taldea emateko ahalmen handia dauka. Azetilo taldea aktibatuta dagoela esaten da.

5) Azido zitrikoaren zikloa (Krebs zikloa)

a. Ziklo hau derrigorrezkoa da molekula organiko guztien katabolismoan. Beraz, ibilbide zentrala da arnasketa zelularrean. Izan ere, monosakarido, gantz-azido eta aminoazidoen katabolismoak azetil-CoA molekulak ematen ditu. Azetil-CoAren azetilo taldea zikloan sartzen da eta bere oxidazio osoa gertatuko da 2 CO₂ emanez.

Azetil-CoA-k azetilo taldea ematen dio oxalazetatoari eta zitratoa sortzen da. Erreakzio batzuen bitartez zitratoa oxalazetato bihurtzen da berriro, ziklo bat deskribatuz. Prozesu osoa mitokondrioen matrizean gertatzen da zelula eukariotikoetan eta zitosolean zelula prokariotikoetan.

Azetiloaren bi karbonoak guztiz oxidatuta ateratzen dira: 2 CO₂. Hauek deskarboxilazio oxidatiboen bidez ateratzen dira.

• Prozesu horretan erredox erreakzioak gertatzen dira, eta askatzen diren energia altuko elektroiak NAD⁺ eta FAD koentzimek hartuko dituzte: 3 NADH eta 1 FADH₂ sortuz. Garraiatzaile aktibatu hauek hartutako elektroiak arnas kateari emango dizkiote, non fosforilazioak akoplatuak izango diren.
• Substratu-mailako fosforilazio bat ere gertatzen da, baina GTP sortzen da. Gero GTPak ADPari ematen dio fosfato taldea ATP sortuz.
• Ziklo honek ez du oxigenorik kontsumitzen, baina blokeatuta geratuko litzateke oxigenorik ezean, NAD⁺ eta FAD koentzimak berreskuratuko ez liratekeelako.
• Katabolismoan ibilbide zentrala izateaz gain, ziklo honek aitzindariak ematen ditu anabolismoarako (ibilbide anfibolikoa).

6) Arnas katea eta fosforilazio oxidatiboa

NADH eta FADH₂-aren elektroiak O₂ erreduzitzeko erabiltzen direnean energia handia askatzen da, ATP sortzeko erabiltzen dena. Prozesu horri fosforilazio oxidatiboa deitzen zaio. Halere, elektroiak ez dira zuzen igaroko oxigenoraino, baizik eta elektroi-garraiatzaile katean zehar; zuzen igarotzea energia-askapen handiegia izango litzateke.

NADH-tik eta FADH₂-tik O₂-rako elektroi-fluxuak protoien ponpaketa matrizeatik kanpora eragiten du. Era honetan pH- edo protoi-gradientea eta gradiente elektrikoa sortzen dira. Protoiak matrizean barrera bueltatzen diren bitartean, ATP sintetizatzen da ADP eta P-tik hasita. Teoria kimiosmotiko izenez ezagutzen da mekanismo hori.

a. Elektroien transferentzia: arnas katea

Arnas katea elkarren segidan lan egiten duten eta maila energetikoaren arabera ordenaturik dauden elektroi-garraiatzaile batzuez osatuta dago. Katearen osagai bakoitza erreduzitzen da aurrekoak elektroiak jasotzean eta oxidatu egiten da elektroiak hurrengoari ematean.

Mitokondrioen barruko mintzean kokatuta daude; zelula prokariotikoen kasuan, mintz plazmatikoan. Lau konplexu entzimatiko dira, oso handiak, mintzean finkatuta, bakoitza proteina integral batzuez eta hauekin lotutako talde prostetikoez hornituta daude. Talde hauek dira oxidatzen eta erreduzitzen diren molekulak. Gainera, bi garraiatzaile mugikor aurkitzen dira.

Lau konplexu hauetatik hiruk protoi ponpa bezala jokatzen dute erredox erreakzioetatik askatzen den energia erabiliz.

I Konplexua edo NADH deshidrogenasa: NADH-tik hartzen ditu bi elektroi eta Q koentzimari ematen dizkio QH₂ bihurtuz. I Konplexuak protoi ponpa bezala jokatzen du: bi elektroi igarotzen direnean 4 H⁺ kanporatzen ditu mintzen arteko gunera. Q koentzima edo ubikinona hidrofoboa da eta, beraz, ongi barreiatzen da mintzean zehar. Arnas katean proteina ez den osagai bakarra da.

• II Konplexua edo sukzinato deshidrogenasa konplexua: FADH₂-tik hartzen ditu elektroiak eta Q koentzimari ematen dizkio QH₂ bihurtuz. Aurrekoak ez bezala, konplexu honek ez du protoirik ponpatzen. Beraz, ATP gutxiago sintetizatzen dira FADH₂-ren elektroietatik.
• III Konplexua edo bc₁ zitokromo konplexua: honek aurreko konplexuetatik etorritako QH₂-ren elektroiak hartzen eta c zitokromoari ematen dizkio, honen bi molekula erreduzitu sortuz. Aldi berean, 4 H⁺ ponpatzen dira matrizeatik kanpo.

Zitokromoak hemo taldea duten proteinak dira (hemoglobinak bezala). Hemo taldearen burdina Fe³⁺ -> Fe²⁺ aldatzen da elektroiak jasotzean eta Fe²⁺ -> Fe³⁺ aldatzen elektroiak ematean. c Zitokromoa mintzaren kanpoko aldearekin lotzen da eta honetan zehar mugitzen da elektroiak hurrengo konplexura eramateko.

IV Konplexua edo zitokromo oxidasa konplexua: c zitokromoaren elektroiak hartzen ditu eta oxigeno molekularrari (O₂) ematen dizkio H₂O-ra erreduzituz. Lau elektroi eta lau protoi hartuta, oxigeno molekula bat bi ur molekula sortzen dira. Beraz, 4 c zitokromo molekula behar dira horretarako. Konplexu honek ere protoiak ponpatzen ditu: lau protoi lau elektroi hartzen direnean.

b. ATParen sintesia

Mitokondrioaren barneko mintzean ATP sintetasa izeneko konplexu molekularra dago. Azpiunitate asko dituen oso proteina handia da. Entzimaren zati handi bat periferikoa da eta matrizeari begira dagoen buru handia da (F₁). Beste zatia (F₀) integrala da eta protoietarako erretena dauka. F₁ eta F₀ zatiek azpiunitate asko dituzte.

Teoria kimiosmotikoaren arabera, arnas katean askatzen den energia protoiak kanpora ponpatzean inbertitzen da; horrek kanpoaldean barnealdekoarekin alderatuta H⁺ gehiago eragingo du eta gainera kanpokoa positiboa eta barnekoa negatiboa geratuko dira. Era honetan pH gradientea eta gradiente elektrikoa sortuko dira (gradiente elektrokimikoa). Beraz, elektroietan zegoen energia gradiente elektrokimikoan dago orain. Guzti hau posiblea da barruko mintza iragazgaitza delako.

Protoiak desplazatuko lirateke bai gradiente elektrikoaren alde eta bai kontzentrazio-gradientearen alde. Hau da, badago oso joera handia protoiak matrizeara bueltatzeko. ATP sintetasaren F₀-k protoietarako erretena osatzen du eta hori da protoiek daukaten bide bakarra matrizeara joateko. F₁k ahalmen katalitikoa du eta akoplatu egiten du protoien igarotzea ATPren sintesiarekin.

8) Hartzidura eta arnasketaren arteko desberdintasunak

• Oxidazio-maila, lortzen den energia. Hartziduran azkeneko produktuak gehiago oxidatu daitezke, oraindik energia gehiago eman dezakete. Arnasketan elektroiak oxigenoraino heltzen direnez, oxidazioa guztizkoa da eta, beraz, energia gehiago lortzen da.

• Hartzidura zitosolean gertatzen da eta ez da beharrezkoa inolako mintz-egiturarik. Arnasketaren fase nagusiak mitokondrioetan gertatzen dira eta oso prozesu konplexua da organulu horren barruko mintzean gertatzen delarik.
• Hartzidura energia eskuratzeko lehenengo prozesu dela uste da. Antzinako garai hartan ez zegoen oxigenorik atmosferan.

B) Lipidoen katabolismoa

• Lipasek gantzen hidrolisia egiten dute gantz-azidoak eta glizerina sortuz.

Elikagaietako triglizeridoak horrela hidrolizatzen dira liserio hodian. Gantz-azidoak odolean zehar garraiatzen dira lipoproteinei lotuta, nondik zelulek har baitezaketen. Lipasek ere hidrolizatzen dituzte zelula barruko gantzak.

Glizerina glukolisian sartuko da glizeraldehido-3-fosfato bihurtuz eta gantz-azidoa mitokondrian sartuko da oxidazioa jasateko.

• Gantz-azidoen apurketa: β-oxidazio ibilbidea (edo Lynen helizea):
  • Gantz-azidoen aktibazioa zitosolean: gantz-azil-CoA-ren eraketa: kanpoko mintzean kokatutako entzima batek egiten du erreakzioa, bi ATPren baliokidea kontsumituz.

R-COO^- + CoA + ATP + H₂O → gantz-azil-CoA + AMP + 2 Pi

• Mitokondriaren matrizeara sartzen da barruko mintzeko proteina garraiatzaile baten laguntzaz.
• Lau entzimaren lanaren bitartez, helizearen buelta bakoitzean A azetilkoentzima molekula bat, FADH₂ eta NADH + H⁺ sortzen dira:
  • A azetilkoentzima molekulak Krebs-en ziklora joango dira.
  • FADH₂ eta NADH + H⁺ koentzimek arnas kateari emango dizkiote elektroiak.

C) Proteininen katabolismoa

• Proteinen hidrolisiaren bidez aminoazidoak eskuratzen dira.

Horrela gertatzen da elikagaietako proteinak liserio hodian hidrolizatzen direnean eta gero odolera doaz. Proteinak edo beste molekula batzuk sintetizatzeko baino gehiago badaude ezin dira metatu eta erregai bezala erabiltzen dira.

• Aminoazidoen oxidazioa.

Aminoazido guztien katabolismoan ezinbesteko bi erreakzio mota gertatzen dira: transaminazioa eta desaminazio oxidatiboa. Prozesu hau gehienbat gibelean gertatzen da. Geratzen den karbono eskeletoa oxidatu daiteke, era zuzenean edo eraldaketa batzuk jasan ondoren, Krebs-en zikloan sartzeko.

a. Transaminazioaren bidez aminoazidoaren amino taldea α-ketoazido bati transferitzen zaio. Entzima hauek transaminasak deitzen dira eta ondorengo erreakzioa katalizatzen dute.

• Amoniakoa oso toxikoa denez kanporatu behar da: animali amoniotelikoak, ureotelikoak eta urikotelikoak daude.

Animali urtarrak (arrainak...) amoniotelikoak dira, hots, amonio bera kanporatzen dute. Lehor-tar batzuk amonio hori urea bihurtzen dute (ureotelikoak: ugaztunak) eta beste batzuek azido uriko bihurtzen dute (urikotelikoak: narrastiak, hegaztiak).

• Aminoazidoen eskeleto hidrokarbonatua degradatzen da eta, hasierako aminoazidoaren arabera, bitarteko konposatu desberdinak sortuko dira: pirubatoa, azetil-CoA eta Krebs-en zikloaren konposatuak. Era honetan energia (ATP) atera daiteke edo erabil daitezke beste konposatu batzuk (glukosa, batez ere) sortzeko.

ANABOLISMOA

A. FOTOSINTESIA

I. Kontzeptu orokorrak

• Definizioa: materia organikoa eskuratzea ez-organikotik hasita, argi-energia erabiliz.

• Izaki fotosintetizatzaileak: goi mailako landareak, algak (zelulabakarrak eta zelulanitzak), zianobakterioak eta beste bakterio batzuk.

Ohizkoa da landareen garrantzia azpimarratzea, baina kontuan hartu behar da Lurrean egiten den fotosintesiaren zati handi bat mikroorganismoek egiten dutela. Alga zelulabakarrak eta zianobakterioak garrantzitsuak dira.

• Fotosintesiaren ekuazio orokorra: 6 H₂O + 6 CO₂    ^ARGIA → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Urak CO₂-ari elektroiak ematen dizkio: ura erabiltzen da CO₂-a erreduzitzeko materia organiko bihur-tuz. Ondorioz, oxigenoa sortzen da. Hau frogatu zen uraren oxigenoa erradiaktiboki markatuz: erradioaktibitatea oxigenoan atera zen. Bakterio batzuetan, zianobakterioak izan ezik, ura ez da erabiltzen eta, beraz, ez dute oxigenorik askatzen (adibidez: H₂S erabilizko fotosintesia: 12 H₂S + 6 CO₂ --(argia)--> C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 S).

• Kloroplastoen egitura.
• Fotosintesiaren faseak:
  • Argitako fasea kloroplastoen tilakoideetan gertatzen da eta NADPH eta ATP sortzen dira.
  • Ilunpetako fasea estroman gertatzen da eta aurreko ATP eta NADPH erabiltzen dira konposatu organikoak sintetizatzeko inorganikoetatik hasita.

II. Argitako fasea

• Pigmentu fotosintetizatzaileak:

• Klorofilak:

Beren egitura kimikoan talde porfirinikoa aurkitzen da. Talde porfirinikoa hemo taldean ere aurkitzen da: honek frogatzen du elektroi-erreakzioetan oso eraginkorra dela. Molekularen erdian Mg dago. Isats hidrokarbonatu luzea da, hidrofoboa, ongi kokatzeko geruza bikoitzean.

• Pigmentu laguntzaileak: karotenoideak (lipido isoprenoideak).

Molekulen gaitasuna argia xurgatzeko euren egitura elektronikoaren menpe dago. Fotoi bat hartzen duenean elektroi bat energia maila altuagoa hartzen du. Molekula egoera kitzikatuan dagoela esaten da. Oso ezegonkorra denez, oinarrizko egoerara bueltatzen da (10^-9 - 10^-8 s barru) berehala, zurgatutako energia erradiazio eran askatuz.

Zelula fotosintetizatzaileek energia hori aprobetxatzeko mekanismoa asmatu dute.

• Pigmentuak, proteinekin lotuta, fotosistema izeneko multzotan antolatuta daude.

Klorofila molekula aske batek ezin du eraldatu argi energia izaki bizidunek behar duten energia. Horretarako elkartu behar da proteina berezi batzuekin eta mintzean kokatu. Holako konplexu molekularrak fotosistemak deitzen dira. Fotosistemaren osagaiak:

- Antena konplexua: ehun batzuk pigmentu-molekula (klorofilak eta pigmentu laguntzaileak), kitzikapen energia klorofila diana(-ra) zuzentzen dutenak. Antenaren pigmentu-molekulak antolatuta daude helburu bat lortzeko: elektroi baten kitzikapen-energia molekulaz molekula pasatzen da eta zuzentzen da, inbutua izango balitz bezala, klorofila espezializatu bateraino: diana klorofila.

Erreakzio-gunea: honetan erreakzio fotokimikoa gertatzen da. Osagaiak:

• Klorofila diana: elektroia galtzen duen klorofila espezializatua.
• Elektroi hartzailea: klorofila dianatik hartzen du elektroia.
• Elektroi emailea: klorofila dianari galdutako elektroia ematen dio.

Elektroi emaileak, bestalde, ur molekulatatik hartzen du galdutako elektroia, ur molekula apurtuz. Honi uraren fotolisia deritzo.

• PSII-tik ateratzen diren elektroiak PQ-k hartzen eta bf zitokromo konplexura eramaten dituzte. Erredox erreakzio honetan askatzen den energia protoiak estromatik tilakoideen lumen-era ponpatzean inbertitzen da.
• Plastozianinak (PC) bf zitokromo konplexutik elektroiak hartu eta PSI-era eramaten ditu. Fotosistema honen klorofila diana kitzikatua denean, galdutako elektroia PC-tik berreskuratzen du.
• Ferredoxinak PSI-tik ateratako elektroiak hartu eta NADP erreduktasara eramaten ditu, zeinak erabiltzen duen NADP⁺ erreduzitzeko, NADPH sortuz.
• Laburbilduz: elektroiak ur molekulatik NADPH-ra doaz, baina horretarako beharrezkoa da bi fotosistemen kitzikapena argiaren bidez. Aldi berean, protoi-gradientea sortzen da uraren fotolisiari eta bf zitokromo konplexuari esker, lumen-a (tilakoidearen barruko aldea) azidoagoa eta positiboagoa izanik.

- ATParen sintesia: hemen ere, antzeko teoria kimiosmotikoa azaltzen du sintesi hau. ATP sintasan bi alde bereizten dira: CF₀, protoietarako erretena osatzen duena, eta CF₁, jarduera entzimatikoa duena eta estromara begira dagoena. Protoiek, sortutako gradientea dela eta, lumenetik estromara pasatzeko joera daukate, eta horretarako dute bide bakarra CF₀-aren erretena. CF₁k aprobetxatzen du igarotze hori ADP eta P lotzeko, ATP sortuz.

2. Elektroi-fluxu ziklikoa: ATP soilik ekoizten da, ez NADPH, eta ura ez da beharrezkoa ez eta beste elektroi-emailerik ere; ondorioz, ez da askatzen oxigenorik. PS I bakarrik ari denean gertatzen da. Diana klorofilatik (P700) ateratzen diren elektroiak berbera bueltatzen dira ferredoxina eta zitokromo konplexutik igaroz. Fotofosforilazio zikliko hau beharrezkoa da, zeren eta ilunpetako fasean ATP gehiago kontsumitzen da NADPH baino.

III. Ilunpetako fasea: Calvin-en zikloa

• CO₂-aren finkapena gertatzen da, errubisko entzimak (erribulosa bisfosfato karboxilasa/oxidasa) katalizatuta: CO₂-ak eta erribulosa-1,5-bifosfatoak erreakzionatzen dute bi 3-fosfoglizerato-molekula sortuz. Fase hau estroman gertatzen da.
• Oso geldo lan egiten duenez, kontzentrazio oso handiak behar ditu kloroplastoak: horietako proteinaren %50 da. Uste da Lurreko proteinarik ugariena dela.
• Aurreko fasean ekoiztutako ATP eta NADPH erabiltzen dira bi 3-fosfoglizerato horiek bi glizeraldehido-3-fosfato bihurtzeko.
• Glizeraldehido-3-fosfato molekula batzuk (5) erribulosa-1,5-bifosfatoa berreskuratzeko erabiliko dira eta beste batzuk glukosa sortzeko.

Calvin-en zikloan ekoiztutako glizeraldehido-3-fosfato gehiena zitosolera doa eta: zati bat erre daiteke glukolisian eta gero arnasketan; zati gehiena konposatu kimikoak ekoizteko erabiltzen da, sakarosa barne. Kloroplastoan geratzen dena glukosa ekoizteko erabiltzen da eta, hauek elkartuz, almidoia. 5) Beste konposatu ez-organikoen finkapena: nitratoak eta sulfatoak.

B. KIMIOSINTESIA

Prozesu honetan molekula organikoak ere sintetizatzen dira ez-organikotik hasita, baina horretarako behar den energia ez da argitik datorrena, baizik eta molekula ez-organikoen oxidaziotik. Lehenengo fasean NADPH eta ATP eskuratzen dira; bigarrenean erabiltzen dira, fotosintesiaren ilunpetako fasean bezala, molekula organikoak ekoizteko.

Bakterioak dira guztiak (bakterio kimiosintetizatzaileak) eta lehenengo fasearen arabera desberdintzen dira. Oso garrantzitsuak dira ekosisteman, bioelementu batzuen birziklapena egiten dutelako, batez ere nitrogenoaren bakterioak:

Bakterio nitrosifikatzaileak: amoniakoa oxidatzen dute nitritoak sortuz. Bakterio nitrifikatzaileak: nitritoak oxidatzen dituzte nitratoak sortuz. Nitratoak dira landareek erabiltzen dituzten nitrogeno-iturria bezala.

C. Gluzido, lipido eta proteinen anabolismoa

Ikasi liburuko eskemak klasean esan bezala.

2) Argiaren xurgapena: fotoiek sortutako elektroi-kitzikapena.

Argia erradiazio elektromagnetikoa da, uhin-luzera desberdinetako erradiazioa. Argi ikuskorreko uhin-luzerak: 400 nm (morea) → 700 nm (gorria). Argi zuria kolore ezberdineko nahasketa da: morea-urdina-berde-horia-gorria.

Erradiazioaren energia paketetan transmititu eta xurgatzen da: pakete hori fotoia deitzen da. Fotoi baten energia uhin-luzeraren menpe dago: zenbat eta uhin-luzera txikiagoa, orduan eta energia handiagoa.

4) Bi fotosistema daude tilakoideetan: I eta II

PSI: kitzikapen handiena 700 nm-ko argiarekin lortzen da.

PSII: kitzikapen handiena 680 nm-ko argiarekin lortzen da. Ezin du erabili 680 nm baino handiagoko fotoirik.

5) Elektroi-fluxua eta akoplatutako fotofosforilazioa

1. Elektroi-fluxu ez-ziklikoa

• Bi fotosistemek eta hauekin konektatutako elektroi-garraiatzaileek hartzen dute parte.
• Fotosistemak eta elektroi-garraiatzaileak tilakoideen mintzean kokatuta daude.

• Garraiatzaile mugikorrak:
  • PQ: plastokinona; ubikinonaren edo Q koentzimaren antza du.
  • PC: plastozianina: proteina, kobre ioia duena.
  • Fd: Ferredoxina: proteina, burdina dauka, baina ez hemo talde batean.

Tilakoidearen mintzean finkatuta: bi fotosistemak, bf zitokromo konplexua (arnos kateko b-c-i zitokromo konplexuaren antzekoa) eta NADP erreduktasa (NADP⁺ erreduzitzen duena).

• Ondorengo marrazkietan aurreko osagaiak nola dauden kokatuta eta elektroi-fluxua nondik nora doan ikus daiteke.

a. Fotoia PSII-an harrapatzen denean, honen klorofila dianak elektroi bat galtzen du eta erreakzio-guneko hartzaileak jasotzen du. Gune honen elektroi-emaileak klo-