Tema 1 (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Bioquímica - 2º curso
Asignatura Bioquímica II
Año del apunte 2013
Páginas 9
Fecha de subida 17/10/2014
Descargas 33
Subido por

Vista previa del texto

Judith González Gallego Bioquímica II T1 CONCEPTES BÀSICS DE METABOLISME INTRODUCCIÓ A LES VIES METABÒLIQUES Les vies metabòliques són un conjunt de reaccions que s’agrupen entre elles. Tenim estructures lineals (com la glucòlisi), en espiral (com la síntesi d’àcids grassos) o en estructura cíclica (com el cicle de Krebs). Cal tenir present que en les estructures en espiral en cada volta succeeix alguna cosa com l’entrada de substrats o la sortida de productes.
Dins d’una via metabòlica lineal com podria ser la glucòlisi podem trobar la situació ideal en que és absolutament lineal o bé la situació més esperada en els essers vius, que presenti ramificacions en que un producte intermedi es pot derivar en dos productes finals diferents.
Les vies metabòliques sempre han de presentar mecanismes de control que garanteixin que el flux de la via cobreix les necessitats específiques d’un moment determinat en la cèl·lula. Aquests punts de control són donats per senyals intracel·lulars o extracel·lulars.
CONCEPTE DE METABOLISME I RUTA METABÒLICA Podem definir el metabolisme com el conjunt de reaccions químiques que es donen en els éssers vius. La finalitat que tenen aquest conjunt de reaccions és l’obtenció d’energia que es utilitzada per un treball cel·lular del tipus:  Treball químic: obtenció de molècules pròpies del organisme  Treball mecànic: moviment cel·lular (desplaçament, reestructuració del citoesquelet...)  Transport de biomolècules Aquesta activitat és coordinada y molt dirigida, és a dir, va adreçada cap a una activitat concreta: tenir un determinat compost, en la quantitat i lloc que calgui.
FONT DE CARBONI Els organismes vius en funció de la procedència de la font de carboni els podem dividir en:  Autòtrofs: obtenen el carboni del CO2 de l’atmosfera  Heteròtrofs: obtenen el carboni a partir de molècules orgàniques que capten de l’exterior.
Entre els autòtrofs i els heteròtrofs s’estableixen cicles en que sempre ha d’existir una font d’energia que permeti el seu funcionament, que en aquest cas és l’energia llumínica del Sol.
1 Judith González Gallego Bioquímica II T1 METABOLISME ENERGÈTIC El metabolisme es pot classificar en dos grans apartats: parlem de catabolisme si convertim molècules de nutrients, és a dir, captades de l’exterior, en precursors monomèrics a partir dels quals es van sintetitzant les molècules que interessen en l’organisme. L’anabolisme és aquell en que els precursors són utilitzats per obtenir les molècules que interessen en l’organisme de manera que, es polimeritzen els precursors monomèrics a les molècules característiques de la pròpia cèl·lula.
Podríem dir doncs que sempre que es produeix una degradació i per tant reaccions d’oxidació amb alliberació d’energia parlem de catabolisme mentre que si parlem d’una síntesis amb reaccions de reducció i un aport energètic d’anabolisme.
Aquestes reaccions de catabolisme i anabolisme es solen donar en diferents etapes, constituint el que es denomina com una ruta metabòlica.
Integració en el metabolisme energètic Observant l’esquema cal tenir present que no sempre cal una degradació completa de les molècules sinó que cal sintetitzar biomolècules amb grups que no s’hagin degradat per complet com seria el grup hemo o la síntesis de carbohidrats.
RUTES METABÒLIQUES Podem definir les rutes metabòliques com una sèrie de reaccions químiques encadenades, catalitzades per enzims, en les que el producte d’una és el substrat de la següent. Observem doncs que en aquest tipus de reaccions a partir d’un compost inicial anem obtenint els metabòlits intermediaris que acaben donant un producte final.
En aquesta estructura podem observar algunes reaccions que són lliurement reversibles, és a dir, que estan al equilibri in vivo mentre que d’altres estan allunyades d’aquest equilibri i per tant no són reversibles. Les reaccions irreversibles són aquelles que marquen el flux cap al final de la via ja que un cop són superades no existeix un possible retorn.
Cal tenir present que cada reacció està catalitzada per un enzim diferent, que normalment està relacionat amb la producció o desaparició del producte o substrat de la reacció anterior.
2 Judith González Gallego Bioquímica II T1 Les vies metabòliques estan organitzades en rutes metabòliques ja que moltes d’aquestes reaccions si que es podrien donar per separat i d’una forma més ràpida en condicions de temperatura i pressions molt altes però en l’ésser viu es tenen unes condicions determinades que permeten la seva elaboració al generar un acoblament de reaccions. D’aquesta manera per fer la conversió en aquestes condicions s’han d’elaborar petits canvis energètics que es poden donar a les condicions fisiològiques de pressió i temperatura al final dels quals es generarà un gran salt energètic.
Les vies metabòliques tenen una altra característica ben diferenciada són exergòniques i amb direccionalitat, és a dir, només funcionarà en un sentit; en aquell que permeti l’alliberació d’energia mentre que si volem el sentit contrari s’hauria d’aportar aquesta quantitat energètica.
Dins de les vies metabòliques cal considerar els canvis energètics en:  Catabolisme: convergeixen cap a intermediaris comuns a totes elles, amb estructura convergent.
 Anabolisme: a partir d’un precursor poden generar diferents molècules, amb estructura divergent.
Tipus de reaccions químiques al metabolisme 3 Judith González Gallego Bioquímica II T1 TRANSFERÈNCIES ENERGÈTIQUES EN EL METABOLISME Energia lliure d’una reacció o energia lliure de Gibbs En una reacció que definim com A + B  C + D hi ha un canvi d’energia que es pot relacionar o definir com energia lliure de Gibbs que s’expressa com: Energia lliure estàndard Quan parlem de les reaccions generals s’utilitza el concepte d’energia lliure estàndard (l’anterior era la real del procés) i aquesta es donaria en una situació estàndard que es considera tal que la concentració inicial de substrats i productes sempre sigui de 1M (les unitats sempre han de ser molars). El logaritme natural d’aquest quocient (logaritme de l’acció de masses anterior) és nul de manera que l’energia lliure de Gibbs estàndard correspondria a la següent formula: La prima de l’energia (‘) fa referència a les condicions bioquímiques dels éssers vius de manera que el pH és pròxim a 7 i els canvis en aquest queden esmorteïts.
Sabem que de totes les reaccions que es donen aquest canvi energètic pot ser positiu o bé negatiu però cal tenir present que aquelles afavorides termodinamicament són amb una variació negativa tot i que dins de la cèl·lula es poden donar a lloc les altres gràcies a les reaccions acoblades.
Acoblament energètic de reaccions Algunes reaccions amb una diferència d’energia lliure de Gibbs positives són espontànies al organisme perquè altres reaccions acoblades eliminen els productes i per tant es manté elevada la concentració de substrat respecte a la de producte. Observem doncs que si variem la concentració de productes i substrats podem canviar el flux d’una reacció, és a dir, podem canviar el sentit en que aquesta succeeix.
Aquest acoblament tindrà lloc espontàniament sempre que la suma de variacions d’energies lliures de Gibbs quedi negatiu tal i com marca la termodinàmica.
4 Judith González Gallego Bioquímica II T1 Paper de l’ATP en la transferència d’energia L’ATP pot hidrolitzar i proporcionar l’energia perquè alguns processos amb una variació d’energia ∆G positiva siguin factibles.
Sabem doncs que hi ha reaccions químiques que tenen un canvi d’energia estàndard molt negatiu i part de l’energia sobrant es conserva per generar la síntesis d’aquesta molècula d’ATP.
Un exemple d’aquests compostos són el fosfoenolpiruvat en l’alliberació del fosfat de manera que transfereix un grup fosfat al ADP per formar ATP. El compost té una energia estàndard de -61 KJ/mol mentre que l’ATP de -32 KJ/mols al final del procés el que ens donaria un canvi d’energia estàndard molt negatiu i que sigui de forma espontània segons la termodinàmica. El mateix passaria amb el 1,3 – bifosfoglicerat, que té un canvi d’energia estàndard de -49 KJ/mol que pot cedir un fosfat al ATP el que produeix que quedi un canvi d’energia de -18 KJ/mol, de manera que el procés seria termodinamicament favorable. A partir del ATP es pot transferir el fosfat a altres compostos, com per exemple a la glucosa, compostos que tenen un canvi d’energia lliure d’hidròlisis que és negatiu però baix.
Hi ha uns determinats compostos que tenen uns canvis d’energia lliure estàndard negatiu que en valor negatiu és més alt que el de l’ATP de manera que es poden transferir grups fosfats, com per exemple l’ATP a la glucosa. Els canvis d’energia lliure es relacionen amb la transferència del fosfat però no son els únics, compostos fosforilats que tenen canvis d’energia molt grans també poden proporcionar energia al transferir altres grups; en el cas de l’Acetil-CoA té un canvi d’energia lliure estàndard d’hidròlisis mol gran però no hi ha un fosfat present de manera que no únicament es relaciona amb grups fosfats.
Durant la contracció muscular sabem que hi ha una gran despesa d’energia i un gran consum d’ATP però al fer observacions es pot veure com els nivells d’ATP i ADP es mantenen pràcticament constants a la cèl·lula mentre que el fosfat inorgànic va augmentat. Sabem doncs, que la contracció es produeix gràcies al consum de compost energètic ATP però que aquest es manté constant gràcies a dos fets:  Si funciona la glucòlisis es forma 1,3-bifosfoglicerat, piruvat i ATP (no és el fet principal)  La fosfocreatina cedeix el fosfat al ADP per formar novament ATP Al final de la contracció hauríem d’esperar que els metabòlits ADP i ATP estiguin constants, el fosfat inorgànic molt elevat i la fosfocreatina molt alta. La fosfocreatina es sintetitza únicament a partir de creatina de manera que, com podem recuperar els seus nivells inicials? L’ATP cedeix el fosfat a la creatina per donar fosfocreatina tot i que l’ATP sigui menys energètic que la fosfocreatina.
5 Judith González Gallego Bioquímica II T1 La fosfocreatina és utilitzada per les cèl·lules musculars i nervioses per emmagatzemar fosfat gràcies a la reacció reversible següent: fosfocreatina + ADP ↔ creatina + ATP. Sabem que en la fase de repòs, abans de la contracció, els nivells de ATP i de creatina seran alts respecte a la fase posterior a la contracció de manera que el quocient de masses augmentarà notablement. LA concentració dels substrats de la reacció anterior:  ADP tendirà a disminuir en al fase de recuperació  Els nivells de fosfocreatina seran molt baixos El quocient que engloba el logaritme neperià adquirirà un valor molt alt de manera que el segon quocient de la suma tindrà un valor molt alt que pot contrarestar al valor de l’energia lliure estàndard de la fosfocreatina el que permet que l’ATP pugui donar un grup fosfat. Aquest procés no es un acoblament de reaccions sinó que es dona gràcies al canvi de la concentració de reactius i reactants.
Integració en el metabolisme energètic Considerem sempre l’ATP com la moneda d’intercanvi energètic tot i que cal tenir present que tenim altres molècules, compostos amb un potencial energètic elevat i que poden aportar energia, aquests són els compostos que poden variar el seu estar d’òxid – reducció utilitzant els enzims NAD+, NADP+ i el FAD.
Quan parlem de canvis energètics associats al metabolisme cal tenir present que són canvis associats a les oxidoreduccions biològiques que es poden produir per:  Transferència directa d’electrons  Transferència com a àtoms d’hidrogen: es transfereix un electró i un protó, és a dir, un àtom d’hidrogen.
 Transferència com a ió hidrur: es transfereixen dos electrons i un protó  Combinació directe amb l’oxigen: aquestes reaccions es donen amb freqüència en el metabolisme intermediari Energia lliure en una transferència electrònica Quan es produeix una transferència d’electrons també es produeix un canvi en l’energia lliure que correspon a: 6 Judith González Gallego Bioquímica II T1 Potencial de reducció estàndard per alguns compostos biològics Les reaccions es donen en el sentit en que el potencial sigui positiu de manera que el més negatiu s’oxida i el menys negatiu es redueix sempre que tinguem escrit el potencial per la semireacció d’oxidació.
Reacció entre el NAD+/NADH i el piruvat/lactat Durant la glucòlisi la glucosa es degradada fins a piruvat en un procés en que es consumeix NAD per donar NADH. Aquest últim és utilitzat per reduir el piruvat que permet donar lactat i a la vegada recuperar el NAD en condicions anaeròbies (sense oxigen present, quan no funciona el procés de respiració).
Aquesta regeneració del NAD gràcies al piruvat a partir del NADH és una etapa imprescindible perquè la glucòlisi pugui continuar funcionant ja que si no existís un sistema de regeneració del NADH la glucòlisi s’aturaria degut a l’acumulació de residus termodinamicament desfavorable.
Durant un exercici en que consumim molta glucosa es genera també molt lactat que pot circular per la sang i arribar fins al fetge, òrgan que té la capacitat de sintetitzar la glucosa a partir de lactat, la primera etapa del qual s’ha de produir la reacció inversa, és a dir, passar del lactat a piruvat. Aquesta reacció inversa es pot donar perquè les concentracions varien: augmenta la concentració de lactat en sang per tant, el fetge capta la concentració gran, el piruvat va disminuint i el procés pot ser reversible malgrat que el canvi d’energia estàndard no sigui favorable però si el canvi d’energia genera.
7 Judith González Gallego Bioquímica II T1 OBJECTIUS DE L’ESTUDI DEL METABOLISME Els objectius per als quals s’estudia el metabolisme son:  Primerament va ser identificar reactius, productes i cofactors i l’estequiometria de la reacció.
 Entendre com es controla la velocitat de cada reacció en el teixit.
 Identificar la possible funció fisiològica de cada reacció i del seu mecanisme de control.
PRINCIPIS DE LA REGULACIÓ METABÒLICA La regulació metabòlica pretén entendre, conèixer, la quantitat de substrat transformat en producte per unitat de temps, el que rep el nom de flux. Per tal de conèixer el flux d’una via metabòlica cal tenir present que aquesta està formada per reaccions encadenades cadascuna de les quals el producte de la primera és el substrat de la següent de manera que per tal de tenir aquest flux hem de controlar l’activitat enzimàtica:  Interaccions al·lostèriques  Modificacions covalents  Expressió gènica  Compartimentació  Interacció amb altres macromolècules (partners) Aquests enzims no s’expressen per igual en tots els teixits ni en la mateixa quantitat sinó que estan especialitzats per cada tipus d’òrgan o teixit de manera que la velocitat es controla en cada un d’aquests teixits i inclús els mecanismes de control d’una mateixa via poden variar en funció de quin tipus d’enzims s’hagi expressat.
Nivells de control de l’activitat enzimàtica 8 Judith González Gallego Bioquímica II T1 Trobem diferents punts en què podem controlar l’activitat enzimàtica com per exemple:  A nivell de transcripció de proteïnes, tot allò que afecta a l’expressió gènica com el processament, transcripció, RNAm, codificació...
 Procés de traducció: el ribosoma té mecanismes de control  Regulació proteica o Activació / desactivació: sabem que hi ha enzims que al acabar de ser sintetitzats no són funcionals sinó que necessiten patir un processament postraduccional per ser activats. Aquest processament normalment és una modificació covalent en que l’enzim passa per la seva forma inactiva i activa. Tenim la proteïna totalment funcional.
o Interacció amb d’altres molècules: Aquestes biomolècules, com podrien ser factors al·lostèrics positius o negatius poden actuar com activadors o inactivadors corresponentment. Sabem també que aquesta interacció pot alterar la localització intracel·lular de l’enzim (no sempre està fix).
o Formació de complexes: sabem que la cèl·lula és un mar de dissolució de molts enzims de manera que molt sovint trobem els enzims associats a d’altres molècules o proteïnes el que pot provocar un canvi en la seva funcionalitat. Aquest aspecte és important ja que aquests complexes no sempre són estables.
MÈTODES D’ESTUDI DEL METABOLISME L’estudi del metabolisme i el fet de conèixer la seva funcionalitat es pot donar a diferents nivells:  Nivell d’organismes sencers.
 Nivell d’òrgans aïllats.
 Nivell cel·lular. Aquest tipus d’estudi presenta el problema que no totes les cèl·lules extretes d’un òrgan es pot cultivar en cultius primaris de manera que a vegades cal treballar amb línies cel·lulars establertes o transformades que s’han important. L’estudi pot ser in vivo o in vitro.
 Sistemes lliures de cèl·lules, treballar amb fraccions cel·lulars. No sempre és eficaç perquè ens falten enzims i la seva relació amb la dissolució o ambient.
 Enzims aïllats, purificats.
 Treballar amb dades experimentals d’altres estudis previs.
De dalt cap a baix augmentem la senzillesa del sistema i per tan facilitem el fet de treure conclusions tot i que a la vegada anem baixant i perdent el caràcter fisiològic motiu per el qual normalment s’utilitza una combinació d’aquestes tècniques.
Els mètodes d’estudi són:  Utiltizació d’inhibidors específiques  Utilització de sondes reactives  Introduir mutacions en certs enzims per veure la contribució que tenen en la via  Utiltizar DNA recombiants i transgènics 9 ...