Exercicis: Metabolisme, anabolisme i catabolisme

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

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.

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.

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.

Explica per què es diu que els éssers vius són sistemes oberts des del punt de vista de l'intercanvi de matèria i energia, i quina diferència hi ha en aquest aspecte amb una màquina aïllada.

Posa dos exemples de processos de la vida diària que depenguin de l'energia alliberada en hidrolitzar ATP (contracció muscular, transport actiu, síntesi de molècules, transmissió de l'impuls nerviós) i explica'n breument un.

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.

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.

Les transformacions metabòliques tenen lloc en rutes formades per moltes reaccions encadenades, cadascuna catalitzada per un enzim. Explica què és una ruta metabòlica i quins avantatges ofereix dividir una transformació en nombrosos passos.

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.

Els organismes fotosintètics obtenen el seu ATP de la llum i els heteròtrofs dels nutrients, però tots el produeixen pel mateix mecanisme final: l'aprofitament d'un gradient de protons. Explica què és la quimiosmosi i en quines estructures membranoses té lloc en uns organismes i en altres.

Per què la font immediata d'energia de la cèl·lula és l'ATP i no la glucosa? Raona la resposta comparant com s'allibera l'energia en cada cas (en petites dosis aprofitables enfront de la combustió ràpida i descontrolada que suposaria alliberar de cop tota l'energia de la glucosa).

Les reaccions anabòliques necessiten, a més d'ATP, poder reductor en forma de NADPH. Explica què aporta el NADPH a les síntesis i en què es diferencia la seva funció de la del NADH en el metabolisme.

Classifica les activitats següents d'una cèl·lula muscular segons si consumeixen o alliberen ATP, justificant cada cas: la contracció, la síntesi de glucogen, la degradació de la glucosa en la glucòlisi i el transport actiu d'ions a través de la membrana.

Durant l'exercici físic, el consum d'oxigen d'una persona es pot multiplicar per deu o més. Explica quina relació té aquest fet amb el metabolisme cel·lular i raona per què l'oxigen només és necessari per a una part del metabolisme energètic.

Considera les dues reaccions metabòliques independents següents en condicions fisiològiques:

1. $\text{Glucosa} + \text{P}_\text{i} \rightarrow \text{Glucosa-6-fosfat} + \text{H}_2\text{O} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = +13,8\text{ kJ/mol})$

2. $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = -30,5\text{ kJ/mol})$

1. a) Justifica a escala molecular per què la hidròlisi de l'ATP presenta un $\Delta G^{\circ\prime}$ tan fortament exergònic (fes referència a la repulsió de càrregues electroestàtiques i a l'estabilització per ressonància dels productes formats).
2. b) Escriu l'equació de la reacció neta acoblada catalitzada per l'enzim hexoquinasa, calcula el seu $\Delta G^{\circ\prime}$ global i raona com aquest mecanisme d'acoblament energètic fa possible la realització de processos cel·lulars que, de manera aïllada, serien termodinàmicament inviables.

En una investigació sobre metabolisme muscular s'analitza una línia cel·lular amb una mutació que fa que l'enzim glicogen sintasa sigui constitutivament actiu i insensible a la inhibició per fosforilació, de manera que roman al 100 % d'activitat fins i tot davant de descàrregues intenses d'adrenalina.

1. a) Durant una contracció muscular vigorosa desencadenada per adrenalina, la glicogen fosforilasa s'activa per fosforilació en cascada. Prediu raonadament la conseqüència metabòlica immediata del fet que ambdós enzims (sintasa i fosforilasa) actuïn simultàniament a màxima velocitat i justifica per què aquest fenomen (cicle fútil) resulta energèticament perjudicial per a la cèl·lula.
2. b) Explica com la regulació recíproca coordinada (mitjançant modificació covalent reversible i moduladors al·lostèrics com l'AMP i l'ATP) evita que aquest conflicte tingui lloc a les fibres musculars normals durant el repòs i l'exercici.

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.

Un verí bloqueja la hidròlisi de l'ATP sense impedir-ne la síntesi. Prediu, raonant-ho, què passarà amb la concentració cel·lular d'ATP, amb l'anabolisme, amb el catabolisme i amb els treballs cel·lulars, i explica per què la cèl·lula acabarà morint encara que estigui «plena» d'ATP.

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.

Un estudiant afirma: «Atès que la combustió directa d'un mol de glucosa al laboratori i la seva oxidació cel·lular completa alliberen la mateixa quantitat neta d'energia ($\Delta G^\circ = -2870\ \text{kJ/mol}$), a la cèl·lula viva li resultaria més avantatjós cremar la glucosa en una única reacció ràpida per sintetitzar de cop tot l'ATP i evitar pèrdues intermèdies». a) Rebat aquesta afirmació justificant dues raons citològiques o termodinàmiques per les quals l'alliberament instantani d'aquesta energia seria destructiu o inviable per a la cèl·lula. b) Explica l'avantatge biològic de l'oxidació escalonada i justifica el paper clau que exerceixen coenzims com el $\text{NAD}^+$ i el FAD com a intermediaris de potencial redox.

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 ($E_3$).