INTRODUCCIÓ AL METABOLISME (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Enfermería - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2016
Páginas 12
Fecha de subida 13/04/2016
Descargas 29
Subido por

Vista previa del texto

BIOQUÍMICA | @mroca-terry INTRODUCCIÓ AL METBABOLISME v CONCEPTES GENERALS DEL METABOLISME: • • • • • Conjunt de reaccions químiques intracel·lulars, catalitzades per enzims, fortament regulades, interconnectades i ordenades seqüencialment formant rutes metabòliques, els components de les quals es denominen metabòlits.
Té com a objectius produir, sintetitzar i transformar els principals metabòlits cel·lulars, així com de conservar l’energia.
El metabolisme compleix les lleis fisicoquímiques i els principis de la termodinàmica.
El rendiment metabòlic de cada cèl·lula depèn de la seva dotació enzimàtica que ve determinada pels gens.
Destacar el paper central del cicle de Krebs en el metabolisme intermediari.
Metafòricament podríem comparar el metabolisme amb una espelma encesa. El combustible d’una espelma és la cera. La cera és una cadena de carbonis units a hidrògens. La cera inicialment és un compost REDUÏT, és a dir, té tots els electrons units. El comburent seria l’oxigen, el qual oxidarà(perdrà protons) la cera. Quan l’espelma estigui totalment cremada, tindrem CO2 i H20. Aquest mateix procés és el que té lloc a la cèl·lula.
El metabolisme es divideix en: CATABOLISME i ANABOLISME.
• Catabolismeà Degradació de molècules grans a molècules petites. Obtenim energia.
• AnabolismeàSíntesi de molècules grans a partir de molècules petites. Hi ha despesa energètica.
Molècules sillars( def.): Unitats mínimes absorbibles( glicerol, monosacàrids...).
v ETAPESàEl metabolisme té 3 etapes característiques: 1. Catabolisme de molècules siliars: Les unitats mínimes absorbibles(monosacàrids, aminoàcids, glicerol...) es degradaran/metabolitzaran a un component, l’acetil CoA.
Aquesta fase inclou la glucòlisi (catabolisme de sucres). La desaminació oxidativa( catabolisme d’aminoàcids) i la B-oxidació( catabolisme d’àcids grassos).
2. Cicle de Krebs: Té lloc al mitocondri. A partir d’aquest obtindrem PODER REDUCTOR i ENERGIA ( NADH i FADH2). Tot això ho fem sintetitzant ATP o captant poder reductor mitjançant intermediaris.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry 3. Cadena transportadora d’electrons: Utilitzant la cadena transportadora d’electrons i gràcies a la fosforilació oxidativa es transforma el poder reductor en energia(ATP).
Metabolisme intermediari***à Etapes 2 i 3. S’anomenen així perquè són un punt de confluència de totes les vies. Principalment hidrats de carboni, lípids, aminoàcids i compostos nitrogenats.
v CICLE DE KREBS, RUTA AMFIBÒLICA: CATABÒLICA I ANABÒLICA: RUTES CATABÒLIQUESà Són aquelles molècules sillars les quals conflueixen en el Cicle de Krebs donant lloc a la producció d’ATP. Característiques: 1. Són molècules convergents (convergeixen al cicle de Krebs).
2. Són rutes exergòniques, és a dir, es produeixen espontàniament.
3. Són oxidatives.
RUTES ANABÒLIQUESà Partim de metabòlits intermediaris(amb pocs carbonis) que formaran lípids, polisacàrids, aminoàcids...Característiques: 1. Són divergents.
2. Són endergòniques ( requereixen que nosaltres aportem energia per tal que es produeixin).
3. Són reductores.
Les rutes amfibòliques són aquelles que poden actuar com a rutes catabòliques o anabòliques.
Ex: Cicle de Krebs.
• • • En situació aeròbia o suficient subministrament d’O2 a les cèl·lules, aquestes utilitzen glucosa i/o àcids grassos, aminoàcids (i etanol) per a produir energia química en forma de ATP, a través de rutes catabòliques específiques que connecten amb la ruta oxidativa central, el Cicle de Krebs, i amb la cadena respiratòria mitocondrial, on succeeix la fosforilació oxidativa del ADP a ATP.
En situació anaeròbia (hipòxia) les cèl·lules musculars estriades poden obtenir poc ATP a partir de la glucòlisi anaeròbiaà CATABOLISME ANAERÒBIC [ Diferenciar bé de l’aeròbic].
Al catabolisme anaeròbic l’energia s’obté sense la participació del mitocondri perquè es necessita energia molt ràpida. Ex: Al múscul.
v ENERGIA QUÍMICA: L’energia que es perd a l’oxidació s’ha de mantenir per tal d’utilitzar-la posteriorment a la cèl·lula. Aquesta energia s’emmagatzema en forma de NADH, ATP i FADH2. Tot això acabarà sent energia útil a la cèl·lula. (Si hi ha una ‘’H’’ significa que s’ha reduït, per tant, té poder reductor).
BIOQUÍMICA | @mroca-terry v COENZIMS: Els coenzims són cofactors que ajuden a catalitzar reaccions químiques. Són una espècie d’ajudants d’enzims.
Exemple de reacció Redox: En condicions anaeròbies, el producte de la glucòlisi piruvat es redueix a lactat amb els equivalents de reducció del NADH que s’oxida a NAD+.
• • • • • • El NAD+(forma oxidada)/NADH(forma reduïda) és un dinucleòtid d’adenina i nicotinamida.
És un coenzim molt útil perquè es pot oxidar o reduir fàcilment.
El NADP ha incorporat un grup fosfat. El té unit a la ribosa en el carboni 2. A l’igual que el NAD+, té molta capacitat d’oxidació i reducció. És important saber que el NADP+ sol actuar en reaccions anabòliques.
[ A l’examen pot sortir que sapiguem la diferència entre el NAD+, NADH i NADP.] El següent coenzim del que parlarem és un format a partir de la riboflamina. Component vitamínic necessari per a sintetitzar l’ FMNH2 o coenzim FADH2. Es produeix essencialment per microorganismes, plantes... De manera que la seva deficiència és estranya.
La síntesi del FMNH2 és produeix quan ingerim la riboflamina i aquesta arriba a la nostra mucosa gàstrica. Un cop allà passa a formar FMNH2. Posteriorment, quan arriba al fetge a aquest s’incorpora un nucleòtid d’adenina i es forma el FADH2.
FMNH2 o FADH2 provenen del mateix compost.
És un coenzim una mica peculiar. Se’l denomina grup prostètic perquè està molt unit a l’enzim amb el que treballa. Té una forta unió amb l’enzim.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry • Té tres estats d’oxidació.
- La flavoquinona té color groc.
- La flavosanoquinona incorpora un protó o electró i té una coloració blava o vermella.
el FMNH2 o FADH2 és incolor i fa referència a la forma completament reduïda.
[ No cal saber els estats d’oxidació].
• Aquests coenzims ( NAD+, FAD+....) participen en reaccions tipus REDOX( reduccióoxidació).
Són coenzims de deshidrogenases.
Són dinucleòtids derivats de la vit. B (nicotinamida).
Transporten ions hidrur (H- = 2e- i 1H+) o equivalents de reducció.
Actuen en dissolució.
NADH transmet equivalents de reducció a la cadena respiratòria mitocondrial.
NADPH transmet equivalents de reducció a les biosíntesis, des de la ruta “hexosa monofosfat” (o pentoses fosfat) on es produeix, a la ruta de biosíntesi d’àcids grassos, de colesterol i a les biotransformacions. Són coenzims de deshidrogenases, oxidases iMonooxigenases.
Són nucleòtids derivats de la Vit. B2.
Actuen com a grup prostètic de l’enzim.
• • • • • • • • v QUADRE DE SÍNTESI: BIOQUÍMICA | @mroca-terry v ATP: • • • Principal sistema d’emmagatzematge cel·lular d’energia química. És la moneda d’intercanvi energètic de la cèl·lula gràcies a l’enllaç fosfoanil. El que passa en aquest enllaç és que hi ha molta tensió en els electrons que el formen, per tant aquesta tensió afavoreix que l’enllaç es trenqui fàcilment.
Es diu que l’enllaç fosfoanil o fosfoanhidríc té un potencial de grup elevat, és a dir, que a l’ATP li serà molt fàcil deixar anar aquest grup fosfatà Importància a nivell energètic.
L’energia que té aquest ATP per a deixar anar aquest grup fosfat és de -30,5 kJmol-1.
Formes de crear ATP 1. La fosforilació oxidativa del ADP catalitzada per la ATP sintasa mitocondrial és la principal font de ATP cel·lular.
2. En la glucòlisi i el cicle de Krebs es fa poc ATP mitjançant “fosforilació a nivell de substrat” que consisteix en transferir un grup fosfat des d’un metabòlit al ADP.
3. El fosfat de creatina de les fibres musculars és un reservori de grup fosfat transferible a l’ADP, en cas de elevada demanda energètica muscular.
• • • • • • L’últim coenzim del qual parlarem és el coenzim A o acetil coenzim A, format gràcies a la vitamina B5.
L'acetil CoA és un intermediari central del metabolisme energètic cel·lular, format pel coenzim A i un residu acetil (-COCH3).
El CoA també pot unir residus d'àcids grassos (COCH2CH2..CH3) en aquest cas es parla d’acilCoA.
El CoA és un nucleòtid d’estructura complexa que deriva, en part, de l’àcid Pantoténic (vit.B5).
Per unió del grup tiol del coenzim al residu acetil o acil es forma una unió tioèster d’elevat potencial químic, que facilita la transferència dels residus acetil o acil a altres molècules en reaccions exergòniques.
Aquest coenzim té importància en la transferència de grups acil o acetil perquè es troba al centre actiu dels enzims, de manera que és molt fàcil que el sofre incorpori una cadena acetil o bé d’un àcid gras.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry v CONCEPTES GENERALS DE BIOENERGÈTICA: • Tota l’energia que tenim a la terra ve del Sol. Totes les altres formes d’energia són derivacions d’aquesta primera. La transformació de l’energia del sol es produeix gràcies als cloroplasts. Ex: Nosaltres tenim energia perquè mengem plantes. Els animals mengen plantes i nosaltres mengem animalsà Cadena tròfica, flux unidireccional d’energia.
• Cal un subministrament continu d’energia per mantenir l’ordre intern i les activitats vitals tant del metabolisme basal, de la digestió, de l’activitat física i per a la recuperació de lesions.
• Conceptes importants: - Fotòtrofs: Organismes que transformen l’energia solar en energia química formant els seus compostos orgànics. Ex: Plantes.
Quimiòtrofs: Organismes que transformen l’energia química dels nutrients en l’energia química de l’ATP. Ho fan mitjançant l’ingesta de nutrients.
Què és l’energia? L’energia és la capacitat d’un sistema de produir un treball. Les unitats que tenim per comptabilitzar l’energia són diverses: - Joules(J)-S.I: Un Joule és el treball realitzat per la força d’un newton per desplaçar un metre un objecte determinat.
- Caloria(Cal): Calor que hem de donar a un litre d’aigua perquè la seva temperatura augmenti un grau centígrad.
• Les transformacions energètiques sempre generen calor( forma degradada).
• El sistema realitza un treball quan la matèria es desplaça al llarg d’un gradient de potencial, ja sigui mecànic, elèctric, químic, tèrmic...
• Hem de tenir molt present que totes les reaccions metabòliques es regeixen pels principis de la termodinàmica. És important saber quan una reacció serà espontània o no.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry v PRINCIPIS DE TERMODINÀMICA: 1r. L’energia d’un sistema ni es crea ni es destrueix, només es transforma. Ex: Conversió d’energia química a ATP. Nosaltres valorem aquest principi amb l’entalpia(ΔH).
- L’ entalpia és el contingut de calor del sistema a pressió constant. Reflexa el número i el tipus d’enllaços que conté una molècula.
2n. En tot procés el desordre total de l’univers augmenta. Quan parlem d’univers, ens referim a un entorn particular. Univers= cèl·lula+ entorn. Valorem aquest principi amb l’entropia(S).
- L’entropia és la mesura quantitativa del desordre.
Per mesurar si una reacció és espontània o no utilitzem l’energia lliure de Gibbs(G), la qual relaciona aquests dos últims principis. Es defineix com l’energia d’un sistema capaç de fer un treball a pressió i temperatura constants. (Només avalua variacions del sistema sense mesurar l’entorn. Depèn de l’estat inicial i el final, és a dir, no del camí seguit).
L’espontaneïtat d’una reacció pot modular-se experimentalment per la concentració de reactius i productes.
El que hem de tenir clar és que els valors d’energia lliure són additius en reaccions acoblades.
La suma de les diferents reaccions dóna la reacció global. Per exemple, si durant una reacció catabòlica hi ha una reacció intermitja la qual no és espontània, tota la reacció global podrà ocórrer si la resta de reaccions presenten una energia lliure molt negativa.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry v ENZIMS I CATÀLISI: • • • • • • • Els enzims són biocatalitzadors, ara bé, no solament són proteïnes, sinó que també poden ser ARN, formant els ribozims. L’ARN pot catalitzar reaccions.
Tots els enzims tenen un centre actiu( lloc de reconeixement per a un tipus concret de lligant).
El punt clau de per què funciona el metabolisme és per l’especificitat dels enzims amb els seus respectius reactius.
Cal destacar també que els enzims NO alteren l’equilibri de la reacció, és dir, no la canvia, només l’accelera.
Es troben lliures al medi intracel·lular o enganxats a membranes cel·lulars.
Tenen Tª i pH òptims, en general els del seu medi habitual.
Són molt regulables.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry • Per què funciona un enzim? Per el centre actiu, on els lligands seran reconeguts específicament. Aquests estaran exposats a una sèrie de grups funcionals, els quals poden formar part del mateix enzim o de coenzims.
• Hem de tenir molt clar que si nosaltres tenim dos reactius( bola de color blau i bola de color taronja), quan son reconegudes per un enzim, aleshores tenim l’estat inicial, el qual donarà lloc a un estat final.
• No obstant, curant el camí es forma un compost intermediari per a superar una barrera energèticaà Estat de transició, on es forma un compost intermediari.
La línia vermella seria la barrera energètica sense enzim i la vermella amb l’enzim. Estar clar que la presència de l’enzim afavoreix la reacció.
L’energia d’activació és l’energia necessària per arribar a l’estat de transició.
• • • • • La cinètica enzimàtica estudia la velocitat de les reaccions catalitzades utilitzant dos paràmetres: la velocitat màxima (Vmàx) o quantitat de producte format per unitat de temps i la constant de Michaelis (Km), que dona idea de l’afinitat pel substrat.
Vmàx: Velocitat màxima que té un enzim a l’hora de processar uns productes.
Km: Concentració de substrat a la qual la velocitat màxima de l’enzim és la meitat. És a dir ½ de la velocitat màxima.
- Una Km elevadaà Poca afinitat d’un enzim per al seu substrat.
- Una Km baixaà Molta afinitat de l’enzim per al seu substrat.
[ PREGUNTA D’EXAMEN].
BIOQUÍMICA | @mroca-terry • • • A les imatges podem observar com a mesura que incrementem el substrat també augmenta la velocitat. Això té lloc fins que la concentració de l’enzim està saturat, és a dir, té tots els llocs d’unió amb el lligand complerts.
El truc matemàtic per a saber quina és la velocitat màxima és amb la representació de dobles recíprocs o de Lineweaver Burk. Simplement s’ha de dividir 1/velocitat i 1/substrat.
Amb això aconseguim la linealització de la corba, amb la particularitat que el punt on talli amb l’eix x ens donarà la Km i el punt de tall amb l’eix y ens donarà la velocitat màxima.
v INHIBIDORS: Els inhibidors poden ser de tres tipus: 1. Inhibició competitiva: L’inhibidor competeix amb el substrat per acompar-se al xentre actiu. Com a conseqüència disminueix l’afinitat de l’enzim perquè l’inhibidor competeix amb ell.
2. Inhibició no competitiva: L’inhibidor s’uneix a un lloc diferent del centre actiu, per tant l’afinitat de l’enzim no canvia per a aquest reactiu. Això es reflexa en el gràfic perquè les dues línies tallen en el mateix punt en l’eix de les x. És a dir, la Km es manté. Varia la velocitat.
3. Inhibició acompetitiva: No cal saber-la.
A la imatge podem veure en rosa la línia amb l’inhibidor i en negre la línia sense l’inhibidor.
Sobretot és important entendre com funciona la Km en aquests casos.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry v • • • • • • • • • FACTORS QUE AFECTEN L’ACTIVITAT ENZIMATICA: Concentració de l’enzim (síntesi/degradació).
Concentració dels substrats i dels productes finals.
Disponibilitat de/ls coenzim/s i cofactor/s.
Activació per proteòlisi del proenzim inactiu.
Modificacions covalents (fosforilació per quinases/desfosfarilació per fosfatases).
Canvis de Tª , pressió, pH i força iònica de la dissolució.
Inhibidors.
Regulació al·lostèrica per activadors i inhibidors: els enzims al·lostèrics tenen un “lloc regulador” on el factors al·lostèrics que s’uneix indueix un canvi conformacional amb conseqü.ncies funcionals: activació o inhibició.
Isoenzims: catalitzen la mateixa reacció sobre el/s mateix/os substrat/s, però presenten petites variacions estructurals que els proporcionen propietats físico-químiques distintes (pH òptim, afinitat pels substrats, activitat d’activadors i inhibidors), així com característiques de localització i d’origen i immunològiques distintes.
v TIPUS D’ENZIMS: 1. OXIDOREDUCTASES: Catalitzen reaccions REDOX. Els electrons que resulten eliminats de la substància que s’oxida són acceptats per l’agent que causa l’oxidació(oxidant), el qual pateix un procés de reducció. En els sistemes biològics el FAD i NAD participen en nombroses reaccions REDOX.
2. TRANSFERASES: Transfereixen un grup químic d’una molècula a una altre. Les quinases són un tipus especial de transferases que catalitzen la transferència d’un grup fosfat a una altra molècula des d’un nucleòsid trifosfat.
3. HIDROLASES: Són un tipus especial de transferases que transfereixen un grup –OH des de l’aigua a un altre substrat. Es segreguen de l’anterior grup d’enzims per el seu caràcter irreversible. El substrat típic sol tenir un enllaç ester( incloent el fosfodièster dels àcids nucleics o amida).
4. LIASES: Catalitzen l’escissió reversible d’enllaços carboni-carboni com en el cas de les aldoses. En alguns casos, com conseqüència de la ruptura de l’enllaç, es segreguen nous dobles enllaços o anells. Altres enzims d’aquesta classe formen i trenquen enllaços C-N o alliberen CO2( descarboxilació). En el cas de la formació d’enllaços, aquests enzims no requereixen energia de nucleòsids trifosfat i es denominen sintases.
5. ISOMERASES: Catalitzen reaccions que suposen un moviment d’un grup o un doble enllaç dins d’una molècula, el que causa que s’obtingui un nou isòmer. Si es canvia la posició d’un grup fosfat, l’enzim s’anomena mutasa.
6. LLIGASA: Catalitzen la formació d’enllaços C-C però a diferència de les liases, requereixen energia que obtenen de la hidròlisi d’ATP i s’anomenen sintetases.
BIOQUÍMICA | @mroca-terry Unitat d’activitat enzimàtica (U): Quantitat d’enzim que catalitza la conversió d’un µmol de substrat en un minut. L’activitat específica es el número d’unitats de l’enzim per mil·ligram de proteïna( U/mg prot) o per mil·lilitre de dissolució.
Recentment el SI ha definit la unitat d’activitat enzimàtica com a la quantitat d’enzim que transforma 1 mol de substrat per segon. Aquesta unitat s’anomena katal(kat). Com 1 mol són 10 a la 6 µmols i un minut són 60 segons, resulta que 1 katal equival a 60x10 a la 6 U( 6 per 10 a la 7 U). Aquesta unitat és molt gran de forma que s’utilitzen freqüetment els submúltiples com el microkatal o nanokatal.
...