Toate sistemele vii, de la cele mai simple celule la cele mai complexe ecosisteme, au nevoie de energie pentru desfășurarea proceselor celulare, cum sunt creșterea și reproducerea. Organismele și-au dezvoltat diferite strategii pentru a capta, stoca, transforma și transfera energia liberă.
Metabolismul unei celule reprezintă totalitatea reacțiilor chimice care se desfășoară în interiorul acesteia. Unele reacții metabolice implică degradarea unor molecule complexe în molecule mai simple, proces din care rezultă energie (catabolism), în timp ce alte reacții metabolice au nevoie de energie pentru a sintetiza molecule complexe (anabolism). Un exemplu clasic al acestor căi metabolice este sinteza și degradarea glucozei.
Oamenii de știință utilizează termenul de „bioenergetică” atunci când se referă la fluxul de energie din sistemele vii, așa cum sunt celulele. Procesele celulare, precum crearea sau degradarea unor molecule complexe, se desfășoară prin reacții chimice etapizate. Unele dintre aceste reacții chimice sunt spontane și eliberează energie, în timp ce altele au nevoie de energie pentru a se desfășura.
La fel cum organismele vii trebuie să se hrănească pentru a înlocui ceea ce s-a consumat, celulele trebuie să produce energie în mod continuu pentru a înlocui energie consumată de numeroasele reacții chimice care au loc în interiorul lor. Toate reacțiile chimice care se desfășoară în interiorul celulelor reprezintă metabolismul celular.
Figura 1 – Majoritatea formelor de viață de pe Pământ își obțin energia de la Soare. Plantele utilizează fotosinteza pentru a capta lumina solară, iar erbivorele mănâncă plantele pentru a obține energie. Carnivorele mănâncă erbivorele, iar necrofagii digeră resturile de plante și animale.
Metabolismul carbohidraților
Metabolismul glucozei (un carbohidrat simplu) este un exemplu clasic al numeroaselor procese celulare care utilizează și produc energie. Organismele vii consumă glucoză ca sursă principală de energie, deoarece moleculele de glucoză conțin o cantitate mare de energie înmagazinată în legăturile lor. Degradarea glucozei este descrisă de reacția de mai jos:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O + energie
Carbohidrații consumați își au originea în fotosinteza desfășurată de unele organisme precum plantele. În timpul fotosintezei, plantele utilizează energia solară pentru a converti moleculele de dioxid de carbon gazos (CO2) în molecule de zaharuri, cum este glucoza (C6H12O6). Deoarece acest proces implică sinteza unei molecule de dimensiuni mari, bogate în energie, el necesită energie pentru a se desfășura. Sinteza glucozei este descrisă de reacția de mai jos (se observă că ecuația este inversul ecuației de mai sus):
6CO2 + 6 H2O + energie → C6H12O6 + 6O2
În timpul reacțiilor chimice ale fotosintezei, energia este furnizată sub forma unei molecule cu înaltă încărcătură energetică denumită ATP (adenozin trifosfat), care reprezintă sursa principală de energie a tuturor celulelor. Zaharul (glucoza) este stocat sub formă de amidon sau glicogen. Astfel de polimeri care stochează energia sunt apoi degradați în glucoză pentru a furniza moleculele de ATP.
Fotosinteza la plantele superioare
Cea mai mare parte a vieții de pe Pământ depinde de fotosinteză, procesul prin care plantele verzi, algele și unele tipuri de bacterii captează...
Energia solară este necesară pentru a sintetiza o moleculă de glucoză în timpul reacțiilor fotosintetice. În fotosinteză, energia luminii de la Soare este inițial transformată în energie chimică, stocată temporar în moleculele purtătoare de energie ATP și NADPH (nicotinamid adenin dinucleotid fosfat). Energia stocată în ATP și NADPH este apoi folosită mai târziu în fotosinteză pentru a sintetiza o moleculă de glucoză din șase molecule de CO2.
Atunci când se consumă zaharuri, moleculele de glucoză își fac în cele din urmă drum în fiecare celulă vie a organismului. În interiorul celulei, fiecare moleculă de glucoză este descompusă printr-o serie de reacții chimice complexe. Scopul acestor reacții este de a recolta energia stocată în interiorul moleculelor de glucoză. Energia obținută este folosită pentru a crea molecule de ATP bogate în energie, care pot fi folosite pentru a alimenta numeroase reacții chimice din celulă.
Cantitatea de energie necesară pentru a produce o moleculă de glucoză din șase molecule de dioxid de carbon este de 18 molecule de ATP și 12 molecule de NADPH (fiecare dintre acestea este echivalentă energetic cu trei molecule de ATP), sau un echivalent total de 54 de molecule de ATP necesare pentru sinteza unei molecule de glucoză. Acest proces este o cale fundamentală și eficientă utilizată de celule pentru a genera energia de care au nevoie.
Căi metabolice
Procesele de sinteză și descompunere a moleculelor de zahăr ilustrează două tipuri de căi metabolice. O cale metabolică este o serie de reacții biochimice interconectate care transformă o moleculă sau molecule de substrat, pas cu pas, printr-o serie de intermediari metabolici, producând în cele din urmă un produs sau produse finale.
În cazul metabolismului glucozei, prima cale metabolică sintetizează glucoza din molecule mai mici, iar cealaltă cale descompun glucoza în molecule mai mici. Aceste două procese opuse – primul care necesită energie și al doilea care produce energie – sunt denumite căi anabolice și, respectiv, catabolice. În consecință, metabolismul este compus din sinteză (anabolism) și degradare (catabolism).
Evoluția căilor metabolice
Complexitatea metabolică variază de la un organism la altul. Fotosinteza este calea principală prin care organismele fotosintetice, precum plantele (majoritatea fotosintezei globale este realizată de algele planctonice), recoltează energia soarelui și o transformă în carbohidrați. Produsul secundar al fotosintezei este oxigenul, necesar unor celule pentru a efectua respirația celulară. În timpul respirației celulare, oxigenul ajută la descompunerea catabolică a compușilor de carbon, cum ar fi carbohidrații. Printre produsele acestui catabolism se numără CO2 și ATP. În plus, unele eucariote realizează procese catabolice fără oxigen (fermentație); adică efectuează sau utilizează metabolismul anaerob.
Figura 2 – Diagrama arată evoluția diferitelor ramuri ale vieții. Primele forme de viață, figurate cu albastru, utilizau metabolismul anaerob pentru a obține energia din mediul înconjurător.
Probabil că organismele și-au dezvoltat metabolismul anaerob pentru a supraviețui (organismele vii au apărut în urmă cu aproximativ 3,8 miliarde de ani, când atmosfera nu conținea oxigen). În ciuda diferențelor dintre organisme și a complexității metabolismului, cercetătorii au descoperit că toate ramurile vieții au în comun unele dintre aceleași căi metabolice, sugerând că toate organismele au evoluat din același strămoș comun ancestral (Figura 2). Dovezile indică faptul că, de-a lungul timpului, căile s-au separat, adăugând enzime specializate pentru a permite organismelor să se adapteze mai bine la mediul lor, crescându-le astfel șansele de supraviețuire. Cu toate acestea, principiul de bază rămâne că toate organismele trebuie să colecteze energie din mediul lor și să o transforme în ATP pentru a îndeplini funcțiile celulare.
Căi anabolice și căi catabolice
Căile anabolice necesită un aport de energie pentru a sintetiza molecule complexe din molecule mai simple. Sinteza glucozei din CO2 este un exemplu. Alte exemple sunt sinteza proteinelor din aminoacizi și sinteza de noi catene de ADN din acizi nucleici. Aceste procese de biosinteză sunt esențiale pentru viața celulei, au loc în mod constant și necesită energie furnizată de ATP și alte molecule bogate în energie precum NADH (nicotinamid adenin dinucleotid) și NADPH (nicotinamid adenin dinucleotid fosfat) (Figura 3).
ATP este o moleculă importantă pentru aprovizionarea suficientă cu energie a celulelor în orice moment. Descompunerea zaharurilor ilustrează modul în care o singură moleculă de glucoză poate stoca suficientă energie pentru a produce o cantitate mare de ATP – 36 până la 38 de molecule. Aceasta este o cale catabolică. Căile catabolice implică degradarea (sau descompunerea) moleculelor complexe în molecule mai simple. Energia moleculară stocată în legăturile moleculelor complexe este eliberată în cadrul căii catabolice și este captată în așa fel încât să poată fi folosită pentru a produce ATP. Alte molecule care stochează energie, cum ar fi grăsimile, sunt, de asemenea, descompuse prin reacții catabolice similare pentru a elibera energie și a produce ATP (Figura 3).
Figura 3 – Căile anabolice sunt cele care necesită energie pentru a sintetiza molecule mai mari. Căile catabolice sunt cele care generează energie prin descompunerea moleculelor mai mari. Ambele tipuri de căi sunt necesare pentru menținerea echilibrului energetic al celulei.
Este important de știut că reacțiile chimice ale căilor metabolice nu au loc spontan. Fiecare etapă a reacției este facilitată sau catalizată de o proteină numită enzimă. Enzimele sunt importante pentru catalizarea tuturor tipurilor de reacții biologice – cele care necesită energie, precum și cele care eliberează energie.
Sursa (text și ilustrații): Openstax.org
Zedalis, J. & Eggebrecht, J. (2018). Energy and Metabolism, din Biology for AP® Courses. Houston, Texas, S.U.A.: OpenStax. Preluat de pe https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/6-1-energy-and-metabolism