T.1.3: CATÀLISI (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Girona (UdG)
Grado Biología - 2º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2016
Páginas 11
Fecha de subida 08/10/2017
Descargas 1
Subido por

Vista previa del texto

                                                                  TEMA  1.3:  CATÀLISI         ÍNDEX:     1. Catàlisi  i  característiques  generals  dels  enzims     2. Estructura  química  enzims     3. Cofactors   -­‐ Vitamines  Hidrosolubles   -­‐ Vitamines  Liposolubles       4. Classificació  i  nomenclatura  enzims     5. Funcionament  enzims   -­‐ Especificitat   Ø Models  E  –  S   Ø Enzims  al·∙lostèrics   -­‐ Poder  catalític     6. Cinètica  enzimàtica   -­‐ Equació  Michaelis  –  Menten   -­‐ Representació  de  Lineweaver-­‐burk:     7. Regulació  de  l’activitat  enzimàtica   -­‐ Efectors  bàsics   -­‐ Inhibició  enzimàtica     8. Mecanismes  de  regulació  enzimàtica   -­‐ Control  concentració  enzimàtica   -­‐ Control  activitat  enzimàtica   Ø A  nivell  de  substrat  /  producte   Ø Retroalimentació,  feed-­‐back  (al·∙lostèric)   Ø Modificacions  covalents   -­‐ Isoenzims   -­‐ Complexos  multienzimàtics                       1.  CATÀLISI  I  CARACTERÍSTIQUES  GENERALS  ENZIMS         Totes   les   reaccions   bioquímiques   estan   catalitzades,   sinó   es   donarien   a   una   velocitat   molt  baixa  i  poc  útil.  Les  reaccions  químiques  que  tenen  lloc  a  la  cèl·∙lula  (metabolisme)   són  catalitzades  per  enzims  específics.       Els  enzims  catalitzen  a  una  reacció  química  específicament:     -­‐ Disminueixen  l’E  d’activació  i  augmentant  la  velocitat  de  reacció.     -­‐ Ho   fan   en   condicions   suaus   (solucions   pH   neutre,   pressió   atm.,   temperatura   suau...  )   -­‐ Especificitat  pel  substrat,  per  la  reacció  catalitzada  i  pel  producte.     -­‐ Capacitat  de  regulació         2. ESTRUCTURA  QUÍMICA  ENZIMS     -­‐ Són  proteïnes  globulars  E3  i  E4  (excepte  ribozims)   -­‐ Perquè   siguin   actius   han   d’estar   en   la   seva   conformació   nativa.   A   vegades   requereix  un  cofactor  per  ser  actiu.  El  cofactor  pot  ser:   Ø Ió  metàl·∙lic  (Fe,  Zn...)  à  unió  amb  enllaços  covalents  coordinats   Ø Coenzim  à  molècula  no  proteica  unida  no  covalentment.  Ex:  NAD,  FAD   Ø Si  l’enzim  necessita  el  coenzim  i  el  ió  metàl·∙lic  à  GRUP  PROSTÈTIC   La   part   proteica   és   l’   APOENZIM   (no   actiu)   quan   s’uneix   al   seu   grup   prostètic   s’anomenarà  HOLOENZIM    (actiu)     -­‐ Els  enzims  són  +  grans  que  el  substrat   -­‐ Es  poden  trobar  a  les  membranes,  citosol,  solubles  o  associacions  entre  ells.         3. COFACTORS     Molècules  necessàries  per  l’activitat  dels  enzims.     -­‐ Ions  metàl·∙lics:  Mg2+,  Mn2+,  Fe3+,  Zn2+   -­‐ Coenzims:  molècules  orgàniques  de  baix  pes  molecular  que  poden  ser  comuns   per  diferents  enzims.  La  gran  majoria  no  els  podem  sintetitzar  directament  i  ho   hem  de  fer  a  partir  de  precursors  que  ingerim  amb  la  dieta  à  VITAMINES.     Les   vitamines   són   precursors   de   coenzims.   Són   uns   micronutrients   (en   dosis   petites   són  suficients),  són  amines  essencials  per  la  vida  .  Les  diferenciem  en  dos  grups:     Vitamines  Hidrosolubles:  totes  elles  tenen  grups  funcionals  hidrofílics   -­‐ Complex  vitamines  B:  cofactors,  ex:  NAD+,  FAD   -­‐ Vitamina   B1   o   tiamina:   necessària   en   vertebrats   i   microorganismes.   Forma   activa:  pirofosfat  de  tiamina  (TPP),  transferència  de  grups  aldehid.  Deficiència:   beri-­‐beri.  En  carn  i  vegetals.   -­‐ Vitamina  C  o  àc.  Ascòrbic:  molts  animals  i  plantes  la  poden  sintetitzar  a  partir   de   glucosa,   nosaltres   no.   No   li   cal   activar-­‐se.   Funció   antioxidant.   Manté   +   l’enzim.  Síntesi  col·∙lagen.  Deficiència:  escorbut.  En  fruits  i  vegetals.       Vitamines  liposolubles:  són  hidrofòbiques  i  solubles  en  greix.     -­‐ Vitamina   A   o   Retinol:   aïllada   en   oli   de   fetge   de   bacallà.   Són   alcohols   de   20C   (unitats   d’isoprè).   Deficiència:   ceguesa   nocturna,   pell   seca,   dessecació   mucoses,  esterilitat.  En  carotens  vegetals,  olis  de  soja,  fetge,  ous.     -­‐ Vitamina  D  o  colecalciferol:  es  sintetitza  a  la  pell  a  partir  d’un  precursor  inactiu.   Deficiència:   mala   assimilació   de   Ca   i   fosfat:   raquitisme.   En   llet   i   derivats,   alguns   peixos.     -­‐ Vitamina   E   o   tocoferol:   funció   encara   desconeguda   (antioxidant   entre   d’altres).   Deficiència:   descamació   pell,   debilitat   muscular,   esterilitat.   En   olis   vegetals,   llavors  blat.     -­‐ Vitamina   K:   són   naftoquinones   amb   cadenes   laterals   isoprèniques.   2   formes   principals:   K1   i   K2.   Deficiència:   mala   coagulació   sang.   En   E.coli   intestí,   peixos,   vegetals.         4. CLASSIFICACIÓ  I  NOMENCLATURA  ENZIMS:     Nomenclatura:  Nom  substrat  o  nom  reacció  catalitzada  +  asa   (majoria)   Ex:  hexoquinasa  (hexo  –  glucosa  hexosa),  (quinasa  –  transfereix  un  fosfat  a  la  glucosa)     Trobem  6  classes  d’enzims:     Ex:                  ATP  +  D-­‐glucosa  ßà  ADP  +  D-­‐glucosa-­‐6-­‐fosfat -­‐  Número  de  classificació:  EC.  número  categoria.  Subgrup.  Substrat.  Particularitat.        EC.  2.  7.  1.1   -­‐  Nom  sistemàtic:    ATP:  glucosa  fosfotransferasa     -­‐  Nom  trivial:  hexoquinasa       5. FUNCIONAMENT  ENZIMS   -­‐ ESPECIFICITAT:       Enzims  à  Centre  actiu  à  És  una  regió  específica  de  l’enzim  on  s’hi  uneix  el  substrat  i   es  produeix  la  catàlisi.     -­‐ En  el  centre  actiu  hi  ha  les  cadenes  laterals  de  residus  que  interaccionen  amb  el   S  mitjançant  forces  febles.     -­‐ En  el  centre  catalític  (regió  del  centre  actiu)  les  cadenes  laterals  intervenen  en   la  catàlisi.     L’enzim  es  recupera  sense  haver  patit  cap  canvi  (no  es  consumeix)   La  unió  enzim  –  substrat  és  complementària,  l’encaix  es  dóna  per  interaccions  dèbils   no  covalents,  els  grups  funcionals  es  disposen  adequadament.       Models  interacció  enzim-­‐  substrat     a) Model  de  clau  i  pany:  encaix  perfecte   b) Encaix   induït:   adaptació   del   c.   Actiu   en   el   S   (canvi   conformacional).   El   centre   actiu  no  és  rígid  ni  totalment  complementari  al  substrat.  Però  el  substrat  també   varia   la   seva   conformació   i   adopta   una   conformació   propera   a   l’estat   de   transició.       Ex:  hexoquinasa:     Quan   s’uneix   la   glucosa   a   l’hexoquinasa   es   produeix   un   canvi   conformacional   que  evita  l’entrada  d’aigua  i  la  hidrolisi  de  l’ATP.  Aquest  canvi  permetrà  el  pas   d’un  fosfat  de  l’ATP  al  6è  hidroxil  de  la  glucosa.                 hexoquinasa         Enzims  al·∙lostèrics:       A   vegades,   perquè   hi   hagi   aquest   encaix   necessitem   una   molècula   que   provoqui   un   canvi  conformacional  en  l’enzim,  que  l’activi   per  tal  que  pugui  encaixar  amb  el  substrat  i   que   es   pugui   donar   la   catàlisi.   Trobem   activadors   al·∙lostèrics   i   inhibidors   al·∙lostèrics.           -­‐ PODER  CATALÍTIC       Qualsevol   catalitzador   fa   que   es   requereixi   menys   energia   per   arribar   a   l’estat   de   transició   i   que,   per   tant,   més   molècules   de   substrat   puguin   arribar   a   aquest  estat  i  la  reacció  sigui  més  ràpida.       *  Com  +  alt  l’estat  de  transició  +  lenta  la  reacció.     *  Unió  S  –  E  à  Estat  de  transició  à  Trencament  à  P                                                            (doblegament  S)       6. CINÈTICA  ENZIMÀTICA     És   l’estudi   de   la   velocitat   de   les   reaccions   catalitzades   per  enzims.  La  velocitat  dependrà  de  l’afinitat  (marcada   per  Km)  de  l’enzim  pel  substrat.                                                                                                                        S+E  ßàESàE+P     A   major   concentració   de   substrat,   major   velocitat   fins   arribar   a   la   saturacióà   velocitat   augmenta   linealment   amb  la  [S]  fins  a  la  saturació  (Vmàx).  La  Vmàx  depèn  de   la  concentració  de  l’enzim.  Quan  +  enzim  +  Vmàx.       Equació  de  Michaelis-­‐Menten       Estableix  una  relació  quantitativa  entre  [S]  i  la  velocitat  de  reacció  mitjançant  Km.     Velocitat  inicial  de  reacció       Km:  constant  de  Michaelis   • Concentració  de  substrat  a  la  que  la  Vo  equival  a  ½  de  la  V  màx   • Pròpia  d’un  enzim  per  a  una  reacció  enzimàtica  concreta.  Si  s’hi  afegeix  més   enzim  la  km  no  varia.         A  partir  del  complex  ES  es  forma  el  producte.  Els  dos  equilibris  tenen  unes  constants   (k)  associades.     Quan   mesurem   les   velocitats   inicials,   no   es   té   en   compte   k-­‐2   perquè   no   hi   ha   quasi   formació   de   producte.   L'etapa   2   és   l'etapa   limitant   de   la   velocitat,   i   és   més   lenta.   Encara   que   la   formació   del   complex   [ES]   sigui   més   ràpida,   la   velocitat   global   de   la   reacció   és   determinada   per   l'etapa   2   (limitant).   Per   tant   la   velocitat   de   tot   el   procés   és  v=k2  x[ES]   Es  considera  que  a  l'estat  estacionari  la  concentració  del  complex  és  constant  ,  és  a  dir,   la   formació   de   ES   és   =   a   la   descomposició   de   ES.  1a   etapa:   es   forma   el   complex   ES   (unió).   És   un   complex   reversible.   Es   correspon   a   K1   i   a   K^-­‐1.   2a   etapa:   es   passa   del   complex  a  P+E.  És  un  pas  irreversible.  Es  correspon  a  K2.   Km  ens  informa  sobre  l'afinitat  de  l'enzim  pel  substrat,  com  més  gran  es  Km  ,  l'enzim   s'uneix   amb   poca   afinitat   al   substrat.  Pot   ser   que   hi   hagi   també   altres   etapes,   amb   altres  constats  on  s'allibera  producte.  Kcat  és  la  constant  la  qual  pertany  a  l'etapa  lenta   -­‐1 (limitant).  Aquesta  constant  catalítica  també  s'anomena  de  recanvi,  té  unitats  de  s .   Ens  dona  una  idea  de  quina  velocitat  l'enzim  és  capaç  d'unir-­‐se   al   substrat   i   formar   el   producte.  Ni   Km   ni   Kcat   ens   dona   una   mesura   de   si   l'eficiència   de   l'enzim   és   alta   o   no   i   de   l'especificitat,  sinó  el  coeficient  d'aquests.  (Kcat/Km).       Representació   de   lineweaver-­‐burk:   És   una   transformació   matemàtica   de   la   fórmula   Michaelis-­‐Menten   (valors   inversos   de  V  i  S)  -­‐-­‐>  representació  lineal  pel  càlcul  de  Km:                                 7. REGULACIÓ  DE  L’ACTIVITAT  ENZIMÀTICA     EFECTORS  BÀSICS:     • pH:  els  enzims  tenen  un  pH  òptim  d’activitat  (degut  a  la  ionització  dels  Aa  del   centre  actiu).  Canvis  de  pH  à  desnaturalització.  pH  al  voltant  de  7  (gran   majoria).   • Temperatura:  incrementa  la  velocitat  de  reacció,  quan  +  alta  la  T  +  activitat.   Limitació  tèrmica  (55-­‐60ºC)  à  desnaturalització  enzim.     INHIBICIÓ  ENZIMÀTICA:     Un  inhibidor  és  una  molècula  que  s’uneix  a  l’enzim  i  provoca  una  disminució  de  la  seva   capacitat  catalítica.  És  molt  específic.       IRREVERSIBLE   La  inhibició  pot  ser:   (unió  covalent)   COMPETITIVA     REVERSIBLE     NO  COMPETITIVA   (unió  no  covalent)       Inhibició  irreversible:     • S’uneix  de  forma  covalent  amb  el  centre  actiu  o  el  destrueix     • No  segueix  equació  Michaelis-­‐  Menten   • Normalment  es  fa  de  forma  progressiva   • Típic  de  toxines     •   Inhibidor  reversible:   • S’uneix  de  forma  no  covalent  amb  l’enzim;  aquesta   unió  es  pot  revertir  i  l’enzim  recupera  la  seva   activitat  .  És  la  més  freqüent  en  el  metabolisme.       Competitiva:   • Pot  unir-­‐se  a  l’enzim  lliure.   • Competeix  amb  el  substrat  per  la  unió  al  centre   actiu  (unió  excloent:  si  el  substrat  s’uneix  a  l’enzim   es  dóna  la  catàlisi,  si  s’hi  uneix  l’inhibidor  no) • Estructura  similar  al  substrat   • Augmenta   Km   però   no   modifica   la   Vmax   à   al   principi   tenim  menys  velocitat  (poc  substrat,  x  inhibidors)  però  al  augmentar  la  [S]  on   es  podran  unir  els  enzims  s’acabarà  arribant  a  la  mateixa  Vmax.  Al  haver-­‐hi  un   inhibidor  hi  ha  menor  afinitat  enzim  –  substrat  i  la  Km  aparent  és  major.     • Ex:  fàrmac  anomenat  Metotrexat,  un  inhibidor  d’enzims  implicats  en  la  síntesi   de   timidines   (l’àcid   fòlic,   que   té   una   estructura   semblant   a   l’inhibidor,   actua   de   coenzim   d’aquests   enzims.   Aquest   inhibidor   es   “posa   al   lloc”   de   l’àcid   impedint   que  faci  la  seva  funció).         No  competitiva:     • S’uneix  a  l’enzim  per  un  lloc  que  no  és  el  centre  actiu,  per  tant,  el  distorsiona.   Aquesta  unió  evita  que  el  substrat  passi  a  producte,  fa  que  el  procés  catalític  no   sigui  eficient.   • Es  pot  unir  tant  a  l’enzim  lliure  com  a  l’enzim-­‐  substrat.     • Km   es   manté   però   disminueix   la   Vmax:   tenim   una   Vmax   aparent   inferior   a   la   que  assoliríem  sense  l’inhibidor  (pendent  de  la  recta  +  gran)                       8. MECANISMES  DE  REGULACIÓ  ENZIMÀTICA     CONTROL  DE  LA  CONCENTRACIÓ  ENZIMÀTICA     Donaran  lloc  a  Aa  per   Gens     mRNA   ENZIMS                                  Pèptids     la  formació  d’altres     proteïnes   Transcripció   Traducció   Degradació       funcional     • Síntesi   enzimàtica   à   regulació   de   la   transcripció   gènica,   producció   proteïna   (enzim)   • Degradació   enzimàtica   à   regulació   del   temps   de   vida   mitjana   de   l’enzim   Normalment  la  degradació  és  amb  l’ús  de  ubiqüitina.     *Per  enzims  que  no  participen  en  rutes  metabòliques  principals         CONTROL  DE  L’ACTIVITAT  ENZIMÀTICA       L’activitat  enzimàtica  es  controla  per  senyals  externs.  Dins  una  ruta  metabòlica  no  és   necessari  regular  l’activitat  de  tots  els  enzims  sinó  aquells  que  controlen  la  velocitat  de   la   ruta,   aquells   que   catalitzen   les   etapes   limitants   de   la   ruta   (normalment   a   l’inici).   Aquests  enzims  són  anomenats  enzims  reguladors.           Control  a  nivell  de  substrat  /producte       -­‐ La   concentració   fisiològica   dels   substrats   sol   estar   al   voltant   de   la   Km   dels   enzims.  Això  provoca  que  variacions  en  [S]  produeixin  canvis  en  la  velocitat:   Baixa  [S],  baixa  Vo   Augm  [S]  (per  sobre  de  Km),  augm  Vo     -­‐ El   producte   moltes   vegades   actua   d’inhibidor   competitiu   de   l’enzim.   Una   vegada  s’ha  format  suficient  producte,  ell  mateix  inhibeix  la  transformació  del   substrat.  Augm  P,  baixa  Vo     Control  al·∙lostèric  (retroalimentació,  feed-­‐back):     Es  dóna  sobre  ENZIMS  AL·∙LOSTÈRICS:   -­‐ E4   -­‐ No  segueixen  una  cinètica  de  Michaelis-­‐  Menten  sinó  una  cinètica  sigmoidea.   -­‐ Tenen  punts  on  s’uneixen  molècules  reguladores  o  Modulador  que  provoquen   un   canvi   conformacional   que   modifica   l’activitat   catalítica   (augmentant-­‐la   o   disminuint-­‐la),  és  a  dir,  tenen  llocs  d’unió  diferents  al  centre  actiu  que  poden   inhibir   o   activar   l’enzim.   Això   permet   un   control   de   retroalimentació   à   control   per  feed-­‐back  =  l’últim  producte  de  la  ruta  metabòlica  actua  com  a  inhibidor  (-­‐)   o  activador  (+).  S’evita  la  sobreproducció  de  compostos.       • Monovalents/Polivalents:   segons   el   nombre   de   reguladors.     • Homotròpics:  modulador  =  substrat.     • Heterotròpics:  modulador  ≠  substrat.     Els   enzims   al·∙lostèrics   segueixen   una   cinètica   Sigmoidea   (S):   fins   a   una   certa   concentració   l’enzim   és   poc   actiu   (velocitat   baixa)   i   a   altes   concentracions   canvia   de   tendència   i   l’enzim   passa   a   ser   més   actiu   (augmenta   la   velocitat).   La   forma   sigmoidea   descriu   una   cinètica   cooperativa  típica  de  l’homoal·∙losterisme.     Homotròpic   -­‐   Homoal·∙losterisme:   permet   que   el   substrat   estigui   a  concentració  fisiològica  i  s’hi  mantingui.  Si  la  concentració   de  S  puja,  la  velocitat  augmenta  (es  consumeix  més  ràpid  el   substrat)  i  es  torna  a  la  concentració  fisiològica,  per  contra  si   la   [S]   baixa   la   velocitat   també   ho   fa   de   manera   que   s’acumula   més   substrat   fins   a   tornar   a   arribar   a   la   concentració  fisiològica.           Per   altra   banda,   en   l’heteroal·∙losterisme   hi   ha   una   molècula   Heterotròpic   que   actua   sobre   enzim   fent   de   modulador   positiu   (activa   l’enzim)   o   modulador   negatiu   (inhibeix   l’enzim)   (sol   ser   no   competitiu),  en  ambdós  casos  produint  un  canvi  en  l’estructura  quaternària  de  l’enzim:   forma  activa  =E4-­‐R  (forma  relaxada);  forma  inactiva=E4-­‐T  (forma  tensa).       Enzims  regulats  per  modificació  covalent:    Enzims   que   necessiten   que   hi   hagi   una   modificació   post-­‐   traduccional   ja   sigui   reversible   o   irreversible   de   manera   que   l’enzim   passi   a   ser   actiu.   Per   exemple   la   fosforilació  de  la  fosforilasa.  Aquest  enzim  té  dues  formes:     Fosforilasa   a:   és   la   forma   activa.   La   quinasa   trenca   l’enllaç   OH   i   afegeix   un   fòsfor.   Tindrà  aquesta  forma  quan  es  requereixi  energia  i  s’hagi  de  degradar  glicogen.     Fosforilasa   b:   forma   inactiva.   Actuarà   una   fosfatasa   trencant   l’enllaç   fòsfor   i   unint   la   serina  amb  un  grup  OH.     Els   canvis   irreversibles   s’anomenen   proteòlisis   =   activació   de   precursors   inactius   (zimògens).  Exemple:  enzims  digestius  o  enzims  del  sistema  de  coagulació.       ISOENZIMS    Diferents  formes  d’un  enzim  catalitzen  una  mateixa  reacció.  Tenen  diferent  seqüència   de   aa   (pocs   canvis)   fet   que   els   confereix   diferents   estructures   i   característiques   cinètiques.  Es  localitzen  en  diferents  teixits  i  modulen  les  activitats  metabòliques.  Per   exemple,  la  glucoquinasa  i  l’hexoquinasa  passen  la  glucosa  a  glucosa-­‐6-­‐P  ,  una  actua  en   el   múscul   i   l’altra   al   fetge.   Tenen   Km   diferents   ja   que   cada   teixit   té   necessitats   diferents.       COMPLEXOS  MULTIENZIMÀTICS    Unió   de   tres   enzims   per   forces   no   covalents.   Els   complexes   poden   estar   lliures   o   associats  a  estructures  cel·∙lulars  que  actuen  millorant  l’eficiència  metabòlica  ja  que  el   producte   d’un   enzim   actua   de   substrat   pel   següent   enzim   i   no   s’han   de   moure   per   actuar  (s’evita  la  difusió).         ...

Comprar Previsualizar