Anabolisme Heteròtrof i Evolució Metabòlica: Guia Completa

L'Anabolisme Heteròtrof: Síntesi de Biomolècules

És el procés metabòlic que permet la formació de molècules orgàniques complexes a partir d’altres de senzilles (anomenades precursores). Es duu a terme tant en cèl·lules autòtrofes com heteròtrofes.

Fases i Característiques de l'Anabolisme Heteròtrof

Podem distingir dues fases:

• Primera fase o fase de la biosíntesi de monòmers: Per exemple, la glucosa a partir de pirúvic.
• Segona fase o fase de biosíntesi de polímers: Per exemple, el glicogen a partir de glucosa.

Les molècules orgàniques senzilles precursores poden procedir de la digestió (en heteròtrofs), de la fotosíntesi o quimiosíntesi (en autòtrofs) o del catabolisme (en tots dos tipus d'organismes).

Moltes vegades, les vies anabòliques són semblants a les catabòliques, però en sentit invers. No obstant això, no són exactament iguals perquè alguns enzims no poden fer la reacció en els dos sentits. En aquest cas, es necessiten enzims diferents que originen productes intermediaris diferents. Això és un gran avantatge, ja que permet a la cèl·lula discernir el sentit de les reaccions i evitar un caos metabòlic.

L’anabolisme heteròtrof es pot dividir en anabolisme de glúcids, lípids, proteïnes i àcids nucleics. Aquestes diferents vies estan interrelacionades i, gràcies a això, es poden sintetitzar uns compostos a partir d’altres. Per exemple: la vaca fa carn i llet (proteïnes i lípids) a partir d’herba (glúcid). Això no sempre és possible, però: no es poden obtenir glúcids a partir d’una dieta exclusiva en lípids.

Energia i Localització de l'Anabolisme

L’anabolisme heteròtrof és un procés de reducció on les molècules senzilles es transformen en d’altres de més complexes amb enllaços interns que emmagatzemen energia (reaccions endergòniques o endotèrmiques). Els enllaços covalents C-C, C-N o C-H emmagatzemen unes 100 kcal/mol; un enllaç disulfur S-S, unes 50; un enllaç fosfat de l’ATP, 7,3; i un enllaç d’hidrogen, 4,5.

L’energia necessària per a l'anabolisme heteròtrof procedeix de la desfosforilació de l’ATP que s’havia creat en el catabolisme i, en els organismes autòtrofs, també de la fotosíntesi o de la quimiosíntesi.

En els vegetals, la majoria de l’energia obtinguda s’utilitza per a la producció de glúcids (cel·lulosa i midó). En els animals vertebrats, en canvi, la majoria s’utilitza per a la producció de proteïnes, que són les molècules que formen l’estructura de l’organisme i que s’han d’anar renovant.

La majoria de les vies anabòliques heteròtrofes es donen al citosol de les cèl·lules (síntesi de glucosa, glicogen i midó). Les excepcions són:

• Síntesi d’àcids nucleics → nucli, cloroplasts i mitocondris.
• Síntesi de proteïnes → ribosomes.
• Síntesi de fosfolípids i colesterol → reticle endoplasmàtic, sobretot, llis.
• Glicosilació de lípids i proteïnes → reticle endoplasmàtic i aparell de Golgi.

Anabolisme Heteròtrof dels Glúcids

Hi ha dues fases principals:

1. Síntesi de glucosa: Es produeix, tant en animals com en vegetals, a partir de l’àcid pirúvic en un procés anomenat gliconeogènesi. En les cèl·lules autòtrofes, a més, es pot obtenir a partir del cicle de Calvin i, en els animals, a partir de la digestió dels aliments.
2. Síntesi de polímers de glucosa o altres hexoses: Els més importants són els de glucosa amb enllaços α. En les cèl·lules vegetals se sintetitza midó → amilogènesi i, en les animals, glicogen → glicogenogènesi.

Gliconeogènesi: Formació de Glucosa

La gliconeogènesi és el procés de formació de glucosa a partir de precursors no glucídics. En els animals, és necessària en situacions de dejuni, perquè les cèl·lules del cervell, els embrions, la medul·la renal i els eritròcits s’alimenten gairebé exclusivament de glucosa.

Un ésser humà adult necessita 160 g de glucosa al dia (120 g per al cervell). Només disposa de 20 g de glucosa dissolta i les reserves de glicogen només poden generar 190 g. Això vol dir que el segon dia de dejuni ja es necessita la gliconeogènesi.

Aquesta via també és necessària després d’un esforç muscular intens en condicions anaeròbiques per eliminar l’àcid làctic generat, transformant-lo en glucosa.

Els precursors de la glucosa formada per gliconeogènesi poden procedir de:

• La desaminació d’aminoàcids.
• La transformació de l’àcid làctic.
• La degradació dels àcids grassos (només en organismes autòtrofs i bacteris).

Origen dels Precursors

• Els aminoàcids desaminats donen lloc a pirúvic o a oxalacètic, metabòlits de la gliconeogènesi.
• L’àcid làctic s’origina per fermentació làctica en els músculs dels animals quan aquests no tenen prou oxigen. Passa a la sang i es transporta fins a les cèl·lules on es produeix aquesta ruta metabòlica: el fetge (90%) i l'escorça renal (10%). La nova glucosa formada retorna a la sang i als músculs, tancant el cicle de Cori.
• En les cèl·lules d’algues, plantes i bacteris, la glucosa pot procedir dels àcids grassos. Els animals no poden fer-ho perquè no tenen els enzims que transformen l’acetil-CoA en oxalacètic. Aquests enzims es troben als peroxisomes i s’anomenen enzims del cicle de l’àcid glioxílic. Això explica per què les plantes poden aprofitar els seus olis per fabricar la cel·lulosa i el midó de les primeres fulles i arrels.

Diferències amb la Glicòlisi

La gliconeogènesi no és només el procés invers de la glicòlisi, ja que, tot i que coincideixen en sis passos, n’hi ha tres que són irreversibles:

1. Conversió de pirúvic en fosfoenolpirúvic (PEP): L’enzim de la glicòlisi que produeix el pirúvic a partir de PEP no treballa en sentit invers i no hi ha cap altre enzim que produeixi aquesta reacció. El procés ha de continuar fins al cicle de Krebs, transformant el pirúvic en oxalacetat i aquest en malat, que surt del mitocondri on es torna a transformar en oxalacetat i aquest, en PEP.
2. Conversió de la fructosa-1,6-diP en fructosa-6-P: Aquest procés es duu a terme en el citosol.
3. Conversió de glucosa-6-P en glucosa: Es duu a terme en el RE (Reticle Endoplasmàtic) i després la glucosa i el Pi surten al citosol.

Glicogenogènesi i Amilogènesi

La glicogenogènesi és la síntesi de glicogen a partir de glucosa-6-P, procedent de la gliconeogènesi o de la glucosa lliure que es fosforila. Primer es transforma en glucosa-1-P que reacciona amb la uridinatrifosfat (UTP), que actua com a activador, i es forma la uridinadifosfat-glucosa (UDP-Glucosa), que s’uneix a un extrem de la cadena de glicogen amb un enllaç glicosídic α (1→4). Després actua l’enzim ramificant del glicogen que talla petits fragments de la cadena i els insereix en altres llocs amb enllaços α (1→6).

La glicogenogènesi es dona especialment al fetge i als músculs. La glucosa que procedeix de la digestió s’acumula al fetge en forma de glicogen. Quan el nivell de glucosa en sang disminueix per sota d’1g/l, el glicogen hepàtic s’hidrolitza i allibera glucosa a la sang.

Aquesta doble funció del fetge, sintetitzar glicogen i alliberar glucosa, està regulada per tres hormones: l'adrenalina i el glucagó augmenten la sortida de glucosa a la sang, i la insulina incrementa l’entrada de glucosa a la cèl·lula.

El glicogen muscular, en canvi, és una reserva particular d’energia exclusiva per a les cèl·lules musculars. Si el múscul treballa en anaerobiosi, produeix àcid làctic, que arriba al fetge on entra com a precursor de la gliconeogènesi i es transforma en glucosa, finalitzant les molèsties musculars.

L’amilogènesi és la síntesi de midó. Es dona als plasts de les cèl·lules vegetals. És semblant a la glicogenogènesi; l’única diferència és que la molècula activadora és l’ATP.

Anabolisme Heteròtrof dels Lípids

Els lípids més importants amb funció de reserva són els greixos o triacilglicèrids, la biosíntesi dels quals requereix tres processos:

1. L’obtenció d’àcids grassos (AG).
2. L’obtenció de glicerina.
3. La síntesi de triacilglicèrids.

Biosíntesi d'Àcids Grassos

La principal font dels AG dels animals és el greix dels aliments. La segona font és la biosíntesi dels AG, produïda al citosol a partir de l’acetil-CoA d’origen mitocondrial. Aquest es forma a partir del catabolisme dels glúcids, de la β-oxidació dels AG i de la desaminació dels aminoàcids.

La biosíntesi dels àcids grassos s’inicia amb la sortida d’un acetil-CoA del mitocondri al citosol. Aquest acetil-CoA fa d’activador. Els altres no s’hi poden afegir directament i s’han de transformar en una molècula de 3 C, el malonil-CoA, gràcies a l’enzim acetil-CoA carboxilasa. El carboni procedeix de l’ió bicarbonat i el resultat és una molècula de 4 C i CO₂.

Després hi ha dues hidrogenacions consumint NADPH i s’obté un àcid gras de 4 C. La unió repetida de malonil-CoA afegeix dos carbonis cada vegada a la cadena, formant una cadena amb un nombre parell de carbonis. Tot està catalitzat per un conjunt d’enzims anomenat complex àcid gras sintetasa (SAG). L’AG format normalment és l’àcid palmític (16 C), que després es pot convertir en esteàric o oleic (18 C) amb uns enzims del RE i mitocondris.

Diferències amb la β-Oxidació

La síntesi d’AG no és només el procés invers de la β-oxidació. Es diferencia d’aquesta en els següents aspectes:

• Es dona al citosol en lloc dels mitocondris.
• L’AG en formació queda unit al grup enzimàtic SAG i no al CoA.
• Els dos carbonis que augmenta per volta són aportats pel malonil-CoA i no per l’acetil-CoA.
• El transportador d’hidrògens és el NADPH i no el NADH o el FADH₂.

Obtenció de Glicerina i Triacilglicèrids

Perquè la glicerina es pugui unir als AG, ha d’estar en forma de glicerol-3-P (G3P), que s’obté de la dihidroxiacetona-3-P (DHA3P) formada durant la glicòlisi o, també, a partir de la glicerina que s’allibera en la hidròlisi dels greixos.

La formació de triacilglicèrids: Les molècules d’AG activades (acil-CoA gras: R-CO-S-CoA) s’uneixen al G3P amb enllaços èster: primer s’uneix un i es forma un monoacilglicèrid, després, un altre per fer un diacilglicèrid i, finalment, el tercer, després que s’hagi eliminat el grup fosfat del G3P.

Aquesta reacció es produeix bàsicament a les cèl·lules del fetge i del teixit adipós.

Anabolisme Heteròtrof d'Aminoàcids i Nucleòtids

Anabolisme Heteròtrof dels Aminoàcids

Cada aminoàcid té la seva via d’obtenció i, a més, pot variar segons el tipus de cèl·lula que el sintetitza. Dels 20 aminoàcids, n’hi ha deu que l’home i molts animals no poden sintetitzar i són imprescindibles amb la dieta. Són els aminoàcids essencials (Leu, Ile, Lis, Met, Phe, Tre, Trp, Val, Arg i His). Les plantes poden sintetitzar-los tots.

Molècules Precursores d’Aminoàcids

La síntesi es duu a terme a partir d’un àcid orgànic de 3 a 5 C al qual s’afegeix un grup amino. Aquest grup pot procedir directament d’un altre aminoàcid (transaminació) o d’un grup amoni (NH₄⁺), que procedeix d’un altre aminoàcid que ha perdut un grup amino (desaminació).

Les plantes poden obtenir l’ió amoni, a més, de l’amoníac inorgànic i dels ions nitrat que hi ha al sòl. Alguns bacteris i cianobacteris poden també aprofitar el N₂ atmosfèric.

Per a la síntesi d’aminoàcids és imprescindible l’àcid α-cetoglutàric, un compost del cicle de Krebs, que juntament amb l’ió amoni, forma àcid glutàmic. Aquest àcid glutàmic forma directament prolina i glutamina i proveeix de grups amino per a la formació d’altres aminoàcids.

Anabolisme Heteròtrof dels Nucleòtids

Els nucleòtids són els components dels àcids nucleics (AN). Estan formats per la unió d’una pentosa (desoxiribosa o ribosa), una base nitrogenada (A, C, G i T o U) i un àcid fosfòric.

Les cèl·lules poden resintetitzar els nucleòtids a partir dels components de la seva hidròlisi i també es poden sintetitzar aquestes molècules de novo. La síntesi és diferent segons si es tracta de bases púriques (A, G) o pirimidíniques (C, T o U).

L'Evolució dels Processos Metabòlics

Organismes Fermentadors Primitius

Durant milions d’anys a l’atmosfera primitiva es van anar formant compostos orgànics, que es van anar dipositant sobre la superfície terrestre i van ser arrossegats al mar on van formar part del brou primitiu i van donar lloc, fa uns 3.800 milions d’anys, als primers organismes fermentadors, que no necessitaven la cadena respiratòria.

Fotosíntesi Anoxigènica i Bacteris del Sofre

Fa uns 3.400 milions d’anys van aparèixer uns organismes capaços d’utilitzar la llum per fabricar ATP. Tenien bacterioclorofil·la i la seva fotosíntesi només utilitzava el FS I i, per tant, no desprenien oxigen. Tot i això, podien fabricar matèria orgànica, que, per primera vegada, va aparèixer a la Terra produïda per organismes a partir de matèria inorgànica.

Els bacteris verds i vermells del sofre són els representants d’aquests organismes que han perdurat fins avui dia. Els més antics són els verds, que no feien servir el cicle de Calvin, sinó el cicle de Evans.

Els bacteris formaven comunitats laminars o catifes sobre el fons i, amb el temps, augmentaven el seu gruix, que han donat lloc als fòssils anomenats estromatòlits.

Respiració Anaeròbica i Quimioheteròtrofs

Fa uns 3.000 milions d’anys, alguns dels bacteris del sofre van tornar al fons perquè els pigments porfirínics van evolucionar i van donar lloc als citocroms. Així va aparèixer una primitiva cadena de transport d’electrons que utilitzava el sulfat com a acceptor final i el transformava en H₂S. Així s’oxidava la matèria orgànica acumulada al fons i s’obtenia molta energia (respiració anaeròbica). Els pigments fotosintètics van desaparèixer en no ser necessaris en la foscor. L’àcid sulfhídric produït podia ser utilitzat pels bacteris fotosintètics anoxigènics de la superfície del pantà, establint un cicle del sofre.

Desulfovibrio és un bacteri sulfatoreductor característic d’aquest grup.

Fotoautòtrofs Oxigènics: L'Era dels Cianobacteris

Els cianobacteris van aparèixer fa uns 2.500 milions d’anys. Tenien un segon fotosistema: el FS II, acoblat al FS I. Això va permetre obtenir més energia i trencar la molècula d’aigua per obtenir l’H⁺ necessari per reduir després el CO₂ fins a matèria orgànica, eliminant, de pas, O₂ al medi. Inicialment, aquest oxigen va servir per oxidar dipòsits de S, Fe i C que hi havia als sediments i aquests van actuar com a pou d’oxigen, evitant que s’acumulés a l’atmosfera.

Fa uns 2.000 milions d’anys, l’oxigen ja va arribar a transformar l’atmosfera reductora en oxidant. Es va formar la capa d’ozó, que absorbia la radiació ultraviolada i va permetre la vida a la terra ferma, però va acabar amb la síntesi orgànica abiòtica.

La concentració i gruix de la capa d’ozó no van ser semblants als actuals fins fa uns 600 milions d’anys.

Els cianobacteris constituïen catifes que se superposaven i es calcificaven (estromatòlits). Això va permetre la seva supervivència, perquè les capes superiors eren molt alterades per la radiació UV i la toxicitat de l’O₂, però s’anaven renovant amb les capes inferiors. Sota els cianobacteris vivien, possiblement, els bacteris fotosintètics del S i, més avall, els sulfatoreductors.

Molts cianobacteris tenen l’enzim nitrogenasa, que permet aprofitar el N₂ atmosfèric per produir els grups amino de la matèria orgànica. Aquest enzim és inhibit per l’O₂, però els cianobacteris ho han solucionat fent la fixació del N₂ en unes estructures anomenades heterocists, on no hi ha FS II i, per tant, no s’allibera O₂. La combinació de la fotosíntesi oxigènica i la fixació del N₂ atmosfèric explica l’èxit biològic dels cianobacteris. Es podien trobar a tot arreu on hi hagués aigua: al mar, llacs, als deserts aprofitant la humitat de les esquerdes, en llacs salats, simbionts de líquens i coralls, en aigües termals...

Els cianobacteris assimilen el CO₂ gràcies al cicle de Calvin; el seu polisacàrid de reserva és el glicogen i no poden fer el cicle de Krebs perquè els falta un dels enzims. La manera d’aprofitar el glicogen és per mitjà de la via de les pentoses fosfat, que aporta NADH però no ATP.

Respiració Aeròbica i el Cicle de Krebs

L’oxigen era un compost tòxic per als primers microorganismes, cianobacteris inclosos, perquè capta electrons i forma radicals lliures que destrueixen les molècules orgàniques. Això va fer que molts microorganismes no fossin viables i morien, d’altres es refugiaven en zones profundes amb poc oxigen i d’altres desenvolupessin enzims, com ara la catalasa i la peroxidasa, que destruïen els compostos formats per l’oxigen com l’aigua oxigenada (H₂O₂). A més, com que l’oxigen la inhibeix molt, els microorganismes van perdre l’enzim nitrogenasa i actualment, la resta d’organismes autòtrofs només tenen els nitrats dissolts com a font de nitrogen.

Utilitzar l’O₂ com a acceptor final d’electrons va ser un gran avenç per als éssers vius.

La cadena respiratòria es va perfeccionar i va ser possible la colonització del medi terrestre perquè va desaparèixer la dependència dels ions sulfat i nitrat en el medi aquós per realitzar la respiració.

L’eficiència d’aquesta cadena respiratòria implicava una alta oxidació de NADH i, per a regenerar-lo i evitar que s’aturés el procés, es va aprofitar el cicle de captació del CO₂ dels bacteris verds del sofre: el cicle de Evans, però en sentit invers, o sigui, en sentit catabòlic. Així va aparèixer el cicle de Krebs.

Organismes Quimioautòtrofs

La presència d’O₂ també va possibilitar l’aparició de bacteris que obtenien l’energia oxidant compostos inorgànics reduïts com el NH₃, H₂S, CH₄ i H₂, o susceptibles de ser més oxidats, com NO₂^-, SO₃^- i S. Aquests organismes poden viure sense matèria orgànica i sense llum; només necessiten aigua, sals minerals i un compost inorgànic reduït.

Tenen tres coses en comú amb els cianobacteris: tenen membranes internes especials, capten el CO₂ per mitjà del cicle de Calvin i no fan el cicle de Krebs perquè els falta el mateix enzim.

Els científics creuen que la seva cadena respiratòria procedeix de l’evolució d’una anterior als cianobacteris. La utilitzen per oxidar compostos inorgànics i obtenir ATP. Per obtenir el NADH amb el qual reduir el CO₂ en el cicle de Calvin i sintetitzar matèria orgànica, utilitzen la cadena respiratòria en sentit invers, consumint ATP.

Aquests organismes representen el màxim avenç metabòlic en procariotes (no hi ha eucariotes amb aquest metabolisme). I el seu paper és molt important perquè converteixen gasos i sals, sense cap utilitat per a les plantes i els animals, en compostos estables assimilables i possibiliten la continuïtat de la vida perquè tanquen els cicles biogeoquímics del C, el S i el N.

L'Aparició de les Cèl·lules Eucariotes

Fa 1.500 milions d’anys van aparèixer les primeres cèl·lules eucariotes, semblants a algunes algues unicel·lulars actuals. Fa 1.000 milions d’anys van aparèixer les primeres algues pluricel·lulars, fa 600 milions d’anys, els primers animals i fa 470 milions, les primeres plantes i fongs.

La cèl·lula eucariota es va originar a partir d’una gran cèl·lula procariota semblant a un afragmabacteri (bacteri sense paret bacteriana) que va ser infectada per bacteris aeròbics, que van establir una simbiosi i van donar lloc als mitocondris.

En aquest afragmabacteri es van produir invaginacions de la membrana plasmàtica i es va iniciar la compartimentació interna, sorgint tot el sistema endomembranós, incloent-hi la coberta nuclear, apareixent el nucli i la cèl·lula eucariota heteròtrofa.

A partir de cianobacteris o dels cloroxibacteris, fagocitats però no digerits, van aparèixer els cloroplasts. Aquests organismes disposaven de dos metabolismes complementaris.

Quan va aparèixer la pluricel·lularitat, es van especialitzar i van perdre la capacitat d’ingerir matèria orgànica. Els mitocondris només processaven la matèria orgànica produïda per la fotosíntesi dels cloroplasts i així va aparèixer la cèl·lula eucariota autòtrofa fotosintètica.

Cronologia de l'Evolució Metabòlica