Metabolismul celular

Analizează ansamblul reacțiilor chimice din celulă, incluzând anabolismul și catabolismul.

Anabolism și catabolism

Metabolismul este ansamblul tuturor reacțiilor chimice din celulă, împreună cu schimburile de materie și energie cu mediul. Are două laturi opuse, dar inseparabile — ele se desfășoară SIMULTAN în aceeași celulă, nu pe rând:

• Anabolismul (asimilația) – reacții de sinteză: din molecule simple se construiesc molecule complexe, proprii organismului. Consumă energie (reacții endergonice). Exemple: fotosinteza, sinteza proteinelor din aminoacizi, sinteza glicogenului din glucoză;
• Catabolismul (dezasimilația) – reacții de descompunere: moleculele complexe sunt degradate în molecule simple, cu eliberare de energie (reacții exergonice). Exemple: respirația celulară, fermentațiile, hidroliza rezervelor.

Raportul dintre cele două laturi variază cu vârsta și starea organismului: la organismele tinere, în creștere, predomină anabolismul; la maturitate cele două sunt în echilibru dinamic; la bătrânețe sau în efort prelungit predomină catabolismul.

Energia eliberată de catabolism nu trece direct în procesele consumatoare: este mai întâi captată în ATP, moneda energetică universală, și abia apoi cheltuită pentru anabolism, contracție, transport activ.

Capcana de examen: asocierea „anabolism = eliberare de energie”. Regula fără excepții: sinteza COSTĂ energie, descompunerea ELIBEREAZĂ energie.

Enzimele — catalizatorii vieții

Reacțiile metabolice ar fi, la temperatura corpului, mult prea lente fără enzime — proteine cu rol de biocatalizatori: grăbesc reacțiile de milioane de ori, fără să se consume și fără să modifice sensul reacției.

Mecanismul de acțiune: enzima are o zonă specială, centrul activ, în care se leagă substratul (substanța transformată). Se formează temporar complexul enzimă–substrat, reacția are loc, produșii se desprind, iar enzima iese neschimbată și reia ciclul. Potrivirea substrat–centru activ e comparată clasic cu potrivirea cheie–broască: de aici specificitatea enzimelor — fiecare enzimă acționează pe un singur substrat sau tip de reacție (amilaza pe amidon, lipaza pe lipide).

Factori care influențează activitatea enzimatică:

• temperatura – activitatea crește cu temperatura până la un optim (~37 de grade C la enzimele umane); peste optim, enzima se denaturează (fiind proteină, își pierde forma) și activitatea se prăbușește IREVERSIBIL. Frigul doar încetinește reacția, reversibil — de aceea alimentele se păstrează la rece;
• pH-ul – fiecare enzimă are un pH optim propriu: pepsina din stomac lucrează la pH acid (~2), amilaza salivară la pH neutru; adusă în pH nepotrivit, enzima devine inactivă;
• concentrația substratului și a enzimei – viteza crește cu ambele, până la saturarea centrelor active.

Denumirea enzimelor: de regulă numele substratului + sufixul -aza (zaharază, lipază, ADN-polimerază).

Fotosinteza

Fotosinteza este procesul anabolic prin care organismele cu clorofilă sintetizează substanțe organice din substanțe anorganice (CO2 și apă), folosind energia luminii și eliberând oxigen. Ecuația generală, cerută ca atare la examen:

6 CO2 + 6 H2O + energie luminoasă → C6H12O6 + 6 O2

Sediul: cloroplastul. Procesul are două faze, legate de compartimentele organitului:

• Faza de lumină – pe membranele tilacoidelor: clorofila absoarbe lumina; apa este descompusă (fotoliza apei), eliberând O2; energia luminoasă e convertită în energie chimică (ATP și NADPH). De reținut: oxigenul eliberat provine din apă, nu din CO2 — întrebare-capcană clasică;
• Faza de întuneric (independentă de lumină) – în stromă: CO2 este fixat și redus la glucoză, folosind ATP-ul și NADPH-ul produse în faza de lumină. „De întuneric” nu înseamnă că are loc noaptea, ci doar că nu folosește direct lumina.

Factori care influențează intensitatea fotosintezei: intensitatea luminii, concentrația CO2, temperatura, apa disponibilă.

Importanța fotosintezei e planetară: este sursa primară a substanței organice pentru aproape toate lanțurile trofice, sursa oxigenului atmosferic și mecanismul principal de consum al CO2. Fără fotosinteză, viața heterotrofă — inclusiv omul — ar rămâne fără hrană și fără oxigen.

Respirația celulară

Respirația celulară este procesul catabolic prin care substanțele organice (în primul rând glucoza) sunt descompuse, iar energia eliberată este captată în ATP. După prezența oxigenului există două tipuri:

Respirația aerobă – în prezența O2; descompunerea este COMPLETĂ, până la CO2 și apă:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie (~38 ATP)

Etapele:

• glicoliza – în citosol, fără oxigen: glucoza (6 C) e scindată în două molecule de acid piruvic (3 C), cu câștig mic de ATP;
• etapele mitocondriale (ciclul Krebs și lanțul respirator, pe cristele mitocondriale) – acidul piruvic e degradat complet; aici se produce marea majoritate a ATP-ului, iar oxigenul intervine ca acceptor final de electroni.

Respirația anaerobă (fermentația) – fără O2; descompunerea este INCOMPLETĂ, produșii finali mai conțin energie, de aceea randamentul e mic (doar 2 ATP per glucoză):

• fermentația alcoolică (drojdii): glucoză → alcool etilic + CO2; aplicații: pâinea (CO2 dospește aluatul), vinul, berea;
• fermentația lactică (bacterii lactice; fibra musculară în efort intens, când oxigenul nu ajunge): glucoză → acid lactic; aplicații: iaurt, murături; acumularea de acid lactic în mușchi contribuie la oboseala musculară.

Comparația fotosinteză–respirație e grila reflex: ecuații practic inverse, prima anabolică și stochează energie, a doua catabolică și eliberează energie; prima doar la lumina zilei, a doua PERMANENT, în toate celulele vii — și la plante.

ATP — moneda energetică a celulei

ATP (adenozintrifosfatul) este molecula care transportă energia în celulă. Structura: adenină + riboză + trei radicali fosfat. Legăturile dintre fosfați — mai ales ultima — sunt legături macroergice: la ruperea lor se eliberează o cantitate mare de energie utilizabilă.

Funcționarea e un circuit continuu, nu un depozit:

• hidroliza ATP → ADP + fosfat + energie — celula „încasează” energia pentru orice activitate;
• refacerea ATP: ADP + fosfat + energie → ATP — energia vine din catabolism (respirație, fermentație) sau, la plante, din faza de lumină a fotosintezei.

De aceea ATP e numit moneda energetică universală: toate procesele consumatoare de energie o acceptă ca „plată”:

• sinteza de substanțe (anabolismul);
• transportul activ prin membrane (pompa de sodiu-potasiu);
• contracția musculară (actina și miozina consumă ATP);
• diviziunea celulară, transmiterea impulsului nervos, bioluminescența.

Două nuanțe care se pierd frecvent la teste: (1) ATP-ul NU se depozitează în cantități mari — celula are ATP pentru câteva secunde de activitate și îl regenerează continuu; rezervele reale de energie sunt glicogenul și lipidele; (2) ATP-ul nu e sursa primară de energie, ci intermediarul: sursa primară este energia chimică a nutrimentelor, iar pentru biosferă — lumina soarelui, captată prin fotosinteză.

Test — 6 întrebări ca la examen