Metabolisme, anabolisme i catabolisme

Defineix metabolisme i explica la diferència entre anabolisme i catabolisme, posant un exemple de procés de cada tipus.

Classifica els processos següents en anabòlics o catabòlics i justifica breument la teva tria: la síntesi de proteïnes, la respiració cel·lular, la fotosíntesi i la digestió dels aliments.

Distingeix entre organismes autòtrofs i heteròtrofs des del punt de vista metabòlic (font de carboni i d'energia) i posa un exemple de cada tipus.

Què és l'ATP i per què se'l coneix com la «moneda energètica» de la cèl·lula? Indica què passa quan s'hidrolitza a ADP.

Descriu la composició química de la molècula d'ATP (base nitrogenada, sucre i grups fosfat) i indica quin enllaç es trenca quan s'hidrolitza a ADP i per què es diu que aquest enllaç és ric en energia.

Un ésser humà adult de 70 kg posseeix en qualsevol instant una massa total constant de tot just uns 50 g d'ATP. Tanmateix, la seva activitat basal i quotidiana exigeix hidrolitzar i resintetitzar aproximadament 50 kg d'ATP cada 24 hores.

1. a) Calcula quantes vegades al dia es recicla de mitjana cada molècula d'ATP en aquest individu i dedueix el temps mitjà (en segons o minuts) que transcorre entre la síntesi d'una molècula d'ATP i la seva posterior hidròlisi.
2. b) Si el nostre organisme no pogués reciclar l'ADP i hagués d'emmagatzemar per endavant com a ATP lliure els 50 kg requerits per a la jornada, justifica les conseqüències insalvables que això provocaria sobre el volum cel·lular i la pressió osmòtica de les cèl·lules. Raona per què els greixos neutres (triacilglicerols) i els polisacàrids són macromolècules fisiològicament idònies com a dipòsits energètics a llarg termini enfront de l'ATP.

Què és un enzim i per què es diu que les reaccions del metabolisme són reaccions catalitzades? Indica què li passa a l'enzim en finalitzar la reacció.

Què és l'energia d'activació d'una reacció? Explica com aconsegueixen els enzims que les reaccions metabòliques tinguin lloc amb rapidesa a la temperatura del cos humà.

En un bacteri, la ruta de síntesi de l'aminoàcid essencial L a partir del precursor P consta de tres etapes consecutives catalitzades pels enzims $E_1, E_2$ i $E_3$. L'enzim $E_1$ és al·lostèric i pateix inhibició per retroalimentació pel mateix producte L. a) Prediu raonadament què passaria amb la concentració dels intermediaris de la ruta i amb el balanç energètic cel·lular si una mutació altera el centre al·lostèric d'$E_1$, impedint la unió de L però mantenint intacta la seva activitat catalítica, quan el bacteri creix en un medi amb abundant L exogen. b) Si una altra mutació inactiva completament l'enzim $E_2$, raona quin compost s'acumularà i si l'activitat d'$E_1$ es mantindrà o es frenarà en absència de L en el medi. c) Justifica l'avantatge selectiu de situar el control al·lostèric en el primer enzim propi de la ruta i no en l'últim ($E_3$).

Observa l'esquema de l'intercanvi de matèria i energia en el metabolisme. Indica quin procés (anabolisme o catabolisme) representen A i B, quina molècula s'assenyala amb ? i explica, amb un exemple, com l'energia alliberada per un procés alimenta l'altre.

Un alumne planteja una aparent paradoxa: «El segon principi de la termodinàmica dicta que els processos espontanis cursen amb un $\Delta G < 0$. Atès que l'anabolisme construeix molècules complexes a través de reaccions fortament endergòniques ($\Delta G > 0$), la biosíntesi de macromolècules no vulnera les lleis de la física?»

1. a) Rebat l'objecció de l'alumne justificant, mitjançant el principi de l'acoblament energètic i la funció intermediària del sistema ATP/ADP, com la cèl·lula aconsegueix que una via anabòlica global sigui termodinàmicament favorable.
2. b) Si s'afegeix a una suspensió d'hepatòcits un compost desacoblador de la fosforilació oxidativa (com el DNP) que dissipa el gradient electroquímic mitocondrial de protons, prediu raonadament què passarà amb la taxa de catabolisme de la glucosa, amb la síntesi de biomolècules (anabolisme) i amb la temperatura del medi.

Un detractor de la teoria evolutiva afirma que la gènesi i el manteniment d'éssers vius complexos i ordenats a partir de precursors simples és físicament impossible perquè contradiu el segon principi de la termodinàmica, segons el qual el desordre (entropia) ha d'augmentar obligatòriament.

1. a) Utilitzant la formulació $\Delta S_\text{univers} = \Delta S_\text{sistema} + \Delta S_\text{entorn} \ge 0$, rebat aquest argument diferenciant entre un sistema obert i un d'aïllat, i justifica com el catabolisme cel·lular permet compensar la disminució local d'entropia interna generada durant l'anabolisme.
2. b) Dissenya un experiment mental en el qual tanques un animal i el seu aliment en un recipient rígid, perfectament hermètic i adiabàtic (aïllat de l'exterior respecte a matèria i calor). Prediu el destí vital i termodinàmic del sistema amb el pas del temps i explica per què la biosfera terrestre no pateix aquest mateix col·lapse entròpic gràcies al flux solar continu.