Metabolismul celular

Prezintă procesele anabolice și catabolice esențiale pentru viața celulelor.

Anabolism și catabolism – cele două fețe ale metabolismului

Metabolismul este totalitatea reacțiilor chimice din organism. Cele două laturi ale lui sunt inseparabile și cuplate energetic:

• Anabolismul — reacții de sinteză: din molecule simple se construiesc molecule complexe, cu consum de energie (reacții endergonice). Exemple: fotosinteza, biosinteza proteinelor, sinteza glicogenului din glucoză.
• Catabolismul — reacții de degradare: moleculele complexe sunt descompuse în molecule simple, cu eliberare de energie (reacții exergonice). Exemple: respirația celulară, fermentația, glicogenoliza.

Moneda de schimb dintre ele este ATP-ul: catabolismul încarcă ADP-ul în ATP, anabolismul cheltuiește ATP-ul înapoi în ADP. Fără această cuplare, energia glucozei s-ar pierde integral sub formă de căldură.

Raportul dintre cele două laturi variază: la copii și în convalescență predomină anabolismul (creștere, refacere), la bătrânețe și în inaniție predomină catabolismul.

Confuzia clasică de examen: fotosinteza NU e „respirația plantelor” — fotosinteza e proces anabolic (sintetizează glucoză), respirația e proces catabolic (o degradează), iar planta le face pe amândouă: fotosinteză doar la lumină, respirație permanent. Cele două procese sunt, în linii mari, chimic inverse: fotosinteza fixează CO2 și eliberează O2, respirația consumă O2 și eliberează CO2.

Fotosinteza – faza de lumină

Fotosinteza este procesul prin care organismele fotoautotrofe sintetizează substanțe organice din CO2 și apă, folosind energia luminoasă, cu eliberare de O2. Ecuația generală: 6 CO2 + 6 H2O → (lumină, clorofilă) → C6H12O6 + 6 O2. Sediul: cloroplastul.

Faza de lumină se desfășoară în membranele tilacoidelor, unde stau pigmenții asimilatori (clorofila a — pigmentul principal; clorofila b și carotenoizii — pigmenți accesorii care lărgesc spectrul absorbit). Evenimentele:

• clorofila absoarbe fotonii și cedează electroni excitați unui lanț transportor;
• fotoliza apei: molecula de apă este scindată, ea înlocuiește electronii pierduți de clorofilă și eliberează O2 — tot oxigenul produs de fotosinteză provine din apă, nu din CO2 (grilă clasică de admitere);
• energia electronilor este folosită pentru sinteza de ATP (fotofosforilare);
• electronii și protonii reduc NADP+ la NADPH.

Produșii fazei de lumină sunt deci ATP, NADPH și O2. Primii doi nu părăsesc cloroplastul — sunt combustibilul fazei următoare; doar oxigenul se eliberează.

Spectrul de acțiune: clorofila absoarbe maxim în roșu și albastru-violet și reflectă verdele — de aceea frunzele sunt verzi. Capcană: lumina verde e cea mai puțin eficientă pentru fotosinteză, tocmai pentru că e reflectată.

Fotosinteza – faza de întuneric (ciclul Calvin)

Faza de întuneric (independentă de lumină) se desfășoară în stroma cloroplastului. Numele este o capcană în sine: faza NU are nevoie de întuneric ca să funcționeze — se numește așa doar pentru că nu folosește direct lumina; în realitate se desfășoară ziua, simultan cu faza de lumină, care îi furnizează combustibilul.

Procesul central este fixarea CO2 în ciclul Calvin:

• CO2 atmosferic este legat de o pentoză acceptoare (ribulozo-1,5-bisfosfat), sub acțiunea enzimei RuBisCO — cea mai abundentă enzimă de pe Pământ;
• compușii rezultați sunt reduși folosind ATP-ul și NADPH-ul produse în faza de lumină;
• rezultă trioze din care se formează glucoza, iar acceptorul de CO2 se regenerează, închizând ciclul.

Dependența dintre faze e directă: fără lumină, rezervele de ATP și NADPH se epuizează în scurt timp și ciclul Calvin se oprește — deci fotosinteza, ca ansamblu, nu poate continua noaptea.

Factorii care influențează intensitatea fotosintezei (cerință de BAC): intensitatea luminii, concentrația CO2, temperatura (optim ~25–30 °C la majoritatea plantelor), apa. Importanța globală: fotosinteza este sursa primară a substanței organice și a oxigenului atmosferic — baza tuturor lanțurilor trofice și a vieții aerobe.

Respirația celulară aerobă

Respirația celulară aerobă degradează complet glucoza, în prezența O2, până la CO2 și apă: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie (~38 ATP). Se desfășoară în trei etape — localizarea fiecăreia e grilă sigură:

• Glicoliza — în citoplasmă (citosol), fără oxigen (etapă anaerobă comună tuturor degradărilor glucozei): glucoza (C6) este scindată în două molecule de acid piruvic (C3), cu câștig net de 2 ATP și 2 NADH.
• Ciclul Krebs — în matricea mitocondrială: acidul piruvic, transformat în acetil-CoA, este degradat complet; aici se eliberează CO2 și se încarcă transportorii de electroni (NADH, FADH2); direct se produce puțin ATP.
• Lanțul respirator (fosforilarea oxidativă) — pe membrana internă mitocondrială (criste): electronii de pe NADH și FADH2 sunt transportați din treaptă în treaptă până la acceptorul final — oxigenul, care se combină cu protonii formând apa metabolică. Energia eliberată sintetizează cea mai mare parte a ATP-ului (~34 din cele ~38).

Capcanele de punctaj: glicoliza NU are loc în mitocondrie, ci în citosol; CO2 se degajă în ciclul Krebs, NU în lanțul respirator; iar rolul oxigenului este strict de acceptor final de electroni — fără el, întregul lanț se blochează și celula rămâne doar cu cei 2 ATP din glicoliză.

Fermentația – degradarea anaerobă

Fermentația este degradarea anaerobă (fără oxigen) și incompletă a glucozei. Începe cu aceeași glicoliză, dar, în lipsa lanțului respirator, acidul piruvic este transformat în produși finali încă bogați în energie. Câștigul: doar 2 ATP per glucoză — de aproape 19 ori mai puțin decât respirația aerobă, pentru că produsul final (alcool sau acid lactic) păstrează cea mai mare parte a energiei chimice.

Tipurile cerute la examen:

• Fermentația alcoolică — realizată de drojdii (Saccharomyces): glucoză → alcool etilic + CO2. Aplicații: panificația (CO2 dospește aluatul; alcoolul se evaporă la copt), vinificația și berea.
• Fermentația lactică — realizată de bacteriile lactice (iaurt, brânzeturi, murături), dar și de fibra musculară în efort intens, când aportul de O2 devine insuficient: glucoză → acid lactic, fără degajare de gaz. Acumularea acidului lactic în mușchi contribuie la oboseala musculară.
• Fermentația acetică (a bacteriilor din genul Acetobacter) — transformă alcoolul în acid acetic (oțetirea vinului); riguros, este o oxidare care necesită oxigen, deci face notă aparte față de celelalte — nuanță de admitere.

Capcana clasică: mușchiul NU produce alcool etilic în lipsa oxigenului — fermentația alcoolică aparține drojdiilor; celula musculară face fermentație lactică. A doua capcană: fermentația nu e „respirație fără mitocondrii stricate” — e o cale normală, dar mult mai puțin rentabilă energetic.

Biosinteza proteinelor și bilanțul energetic

Biosinteza proteinelor este procesul anabolic prin care informația genetică devine proteină, în două etape:

• Transcripția (în nucleu): enzima ARN-polimeraza copiază secvența unei gene de pe o catenă de ADN într-o moleculă de ARNm, după regulile complementarității (cu uracil în loc de timină). ARNm iese prin porii nucleari în citoplasmă.
• Translația (la ribozomi): ARNm este citit în codoni (triplete de nucleotide); fiecare ARNt, purtând anticodonul complementar și aminoacidul corespunzător, aduce aminoacizii în ordinea dictată; ribozomul leagă aminoacizii prin legături peptidice. Sinteza pornește de la codonul start (AUG) și se încheie la un codon stop.

Sinteza proteică este mare consumatoare de ATP — exemplul canonic de proces anabolic alimentat de catabolism.

Bilanțul energetic de reținut, per moleculă de glucoză:

• glicoliza: 2 ATP (câștig net) — comună aerobiozei și fermentației;
• respirația aerobă completă: ~38 ATP (36 în multe celule; la examen se acceptă valoarea teoretică ~38);
• fermentația: 2 ATP — doar cei din glicoliză.

Raportul ~19:1 dintre aerobioză și fermentație explică de ce organismele strict anaerobe rămân mici și lente, iar țesuturile intens consumatoare (neuroni, miocard) depind vital de oxigen. Formulare-capcană la grile: „fermentația produce mai multă energie decât respirația” — fals; energia rămâne blocată în produsul final incomplet oxidat.

Test — 6 întrebări ca la examen

Grile de admitere UMF — 5