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 30/04/2016
Descargas 25
Subido por

Vista previa del texto

Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria Bioquímica: Introducció al metabolisme 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 conserva l’energia.
§ El metabolisme compleix les lleis físicoquímiques 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.
§ Tots els organismes vius es classifiquen en autòtrofes i heteròtrofes, en funció de com cobreixen les seves necessitats bàsiques d’energia (solar autòtrofes i química, els heteròtrofes), de hidrògens (electrons) de les seves molècules reduïdes (aigua, els autòtrofes i molècules orgàniques, els heteròtrofes) i de carboni (CO2, els autòtrofes i compostos orgànics, els heteròtrofes).
§ Així, els animals som quimio-organoheteròtrofes: la nostra font d’energia química, d'hidrògens (electrons) i de carbonis són les biomolècules orgàniques dels aliments.
§ Val la pena ressaltar la ubicació central del cicle de Krebs que es converteix en el centre del metabolisme intermediari cel·lular, doncs hi van a parar, s’oxiden i generen poder reductor, els fragments de dos carbonis activats (acetil-CoA) provinents de la degradació (catabolisme) de les hexoses, dels àcids grassos, de l’etanol i dels esquelets carbonats d’alguns aminoàcids. Els esquelets carbonats d’altres aminoàcids es transformen en alguns dels components del cicle. El poder reductor produït pel C. Krebs és energia química que la cadena respiratòria mitocondrial utilitza per sintetitzar ATP (la denomina fosforilació oxidativa).
§ Així mateix els metabòlits intermediaris del cicle són els precursors per a la síntesi de molts monòmers cel·lulars.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria Cicle Krebs, ruta amfibòlica: catabòlica i anabòlica Catabolisme § 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 anaeròbia.
Energia química: Coenzims reduïts i ATP § En el transcurs de les rutes catabòliques oxidatives, la oxidació d’alguns metabòlits (pèrdua d’e-) connecta amb la reducció de coenzims (guany d’e-).
§ Els coenzims reduïts (NADH, FADH2) subministren electrons útils (equivalents de reducció) a la cadena respiratòria mitocondrial per a la fosforilació oxidativa, i a les rutes anabòliques (NADPH) per a les síntesis reductores.
§ L’ATP o Adenosinatrifosfat és el principal sistema cel·lular d’emmagatzemament d’energia química.
§ La hidròlisi del ATP és un procés exergònic que fa possible la síntesi de molècules i la resta de processos endergònics com el desplaçament intracel·lular de materials, el transport actiu i ve vesicular, etc.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria 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+ § Reaccions redox són processos en els que els reactants s’intercanvien electrons, sempre participen parelles de compostos (Aox i Ared) que constitueix un sistema redox i que es diferencien pel nº d’electrons, els rics en electrons representen la forma reduïda (Ared) i el component pobre en electrons representa la forma oxidada (Aox).
§ El potencial redox E d’un sistema és la capacitat de transferència d’electrons.
§ La equació de Nerst relaciona el potencial del sistema amb el potencial estàndard E0 (que es independent de les concentracions) i la concentració d’ambdós components.
§ La transferència d’electrons espontània sols es produeix si el potencial redox del donador d’electrons es més negatiu que el del receptor: E = Eº + R.T/n.F x ln (Aox)/(Ared) A diferencia dels nucleòtids de piridina NAD i NADP, durant les reaccions dels nucleòtids de flavina es produeixen estadis intermedis en que la molècula actua com a radical lliure (per tenir un electró desparellat), això explica que no actuïn lliures al medi aquós com NAD(P) sinó que sempre es trobin com a grup prostètic de l’enzim al que assisteixen.
Coenzims redox § 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.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria § 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 i monooxigenases § Són nucleòtids derivats de la Vit. B2 § Actuen com a grup prostètic de l’enzim A través d’aquestes dues formes d'energia química, els coenzims reduïts o equivalents de reducció i els nucleòtids trifosfatats (ATP, GTP) s’acoblen les reaccions catabòliques i anabòliques.
ATP § L’ ATP consta de 3 fosfats units al grup 5’OH del nucleòsid adenosina. El fosfat alfa està connectat a la ribosa mitjançant un enllaç èster de l'àcid fosfòric. La unió entre els fosfats (anhidres de l'àcid fosfòric) és més feble que la primera. La repulsió de càrrega negativa dels oxígens es la responsable de la inestabilitat de l’ ATP. L’ ADP és molt més hidratat i estable.
§ La fosforilació oxidativa del ADP catalitzada per la ATP sintasa mitocondrial és la principal font de ATP cel·lular.
§ 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.
§ 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.
Acetil CoA § 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 Pantotènic (vit.B5).
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria § 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.
Conceptes generals de la bioenergètica § Cal un subministrament continu d’energia per mantenir l’ordre intern i les activitats vitals.
§ Energia per: - Metabolisme basal - Digestió - Activitat física - Recuperació de lesions Flux unidireccional d’energia (del nostre planeta) § Els fotòtrofs transformen l’energia solar en energia química dels seus compostos orgànics.
§ Els quimiòtrofs transformen l’energia química dels nutrients en l’energia química de l’ATP.
§ L’energia lumínica procedent de les reaccions termonuclears del sol (unes 13 x 1023 calories/any) és la font primordial d’energia per a tots els organismes vius 13x1023 calories/any Energia L’energia és la capacitat d’un sistema de produir treball.
L’energia es manifesta en distintes formes intercanviables Les transformacions energètiques sempre generen calor (forma degradada) El sistema realitza treball quan la matèria es desplaça al llarg d’un gradient de potencial, ja sigui mecànic, elèctric, químic, tèrmic...
§ Joule és la unitat d’energia, treball i calor: 1 cal = 4,186 J ; 1 Kcal = 1000 cal = 4186J.
Joule: el treball que fa una força d'un newton quan el punt on s'aplica es desplaça un metre en la direcció de la força.
§ La caloria (cal) és una unitat d'energia. Una caloria és la quantitat de calor necessària per a elevar en 1º C un gram d'aigua. La unitat d'energia del Sistema Internacional és el joule (símbol: J).
§ § § § Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria § L'Energia es troba en constant transformació, passant d'unes formes a altres: lumínica, química, mecànica, elèctrica, calorífica. L'energia sempre passa de formes més útils a formes menys útils.
Ex: en un volcà l'energia interna de les roques foses pot transformar-se en energia tèrmica produint gran quantitat de calor; les pedres llançades a l'aire i la lava en moviment posseeixen energia mecànica; es produeix la combustió de molts materials, alliberant energia química; etc.
§ Unes formes d'energia poden transformar-se en altres. En aquestes transformacions l'energia es degrada, perd qualitat. En tota transformació, part de l'energia es converteix en calor o energia calorífica. Qualsevol tipus d'energia pot transformar-se íntegrament en calor; però, aquest no pot transformar-se íntegrament en un altre tipus d'energia. Es diu, llavors, que la calor és una forma degradada d'energia. Són exemples: § L'energia elèctrica, en passar per una resistència. L'energia química, en la combustió d'algunes substàncies. L'energia mecànica, per xoc o fregament.
Treball i energia § L’entalpia lliure o energia lliure de Gibbs (G) és l’energia química capaç de fer treball en les condicions de Tª, pH i pressió de les cèl·lules vives. La variació d’entalpia lliure (ΔG) d’una reacció depèn de tres magnituds: variació de l’entalpia o calor del sistema (ΔH), variació d’entropia u ordre (ΔS) i de la Tª (K) relacionades en la: Equació de Gibbs-Helmholtz à ΔG= ΔH – T . ΔS Principis de la termodinàmica 1r Principi de la termodinàmica § L’energia d’un sistema ni es crea ni es destrueix, només es transforma. Ex: conversió d’energia química d’enllaç en ATP.
§ L’entalpia (H) és el contingut de calor intern del sistema a pressió constant.
§ Reflecteix el número i el tipus d’enllaços que conté la molècula.
ΔH<0 à reacció exotèrmica (allibera calor) ΔH>0 à reacció endotèrmica (absorbeix calor) Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria 2n Principi de la termodinàmica § En tot procés el desordre total de l’univers augmenta. Univers = cèl·lula + entorn § Analitza l’espontaneïtat de processos.
§ La entropia (S) és la mesura quantitativa del desordre.
ΔS<0 àdisminueix la entropia del sistema ΔS>0 à augmenta la entropia del sistema (reacció espontània) Energia lliure de Gibbs (G) § L’energia lliure de Gibbs (G) relaciona els dos principis i es defineix com l’energia d’un sistema capaç de fer un treball a pressió I a temperatura constant (només avalua variacions del sistema sense mesurar l’entorn, depèn de l’estat inicial I final, no del camí seguit o mecanisme).
ΔG = ΔH - TΔS ΔG<0 à Reacció exergònica espontània ΔG>0 à Reacció endergònica, no espontània ΔG = 0 à Reacció en equilibri Espontaneïtat d’una recció § La espontaneïtat d’una reacció pot concentració de reactius i productes.
modular-se experimentalment per la ΔGº = variació d’energia lliure en condicions estàndard (pH = 7, Tª = 25ºC, p = 1 atm, concentració de reactius I productes 1M) ΔGº i Keq són contents I característiques de cada reacció.
Keq’ > ΔGº <0 à Equilibri desplaçat cap a la formació de producte.
Keq’ < ΔGº >0 à Equilibri desplaçat cap a la formació de reactiu.
§ Tot i així, en les cèl·lules les condiciona estàndard no existeixen, ja que la concentració de reactius i productes variaran constantment per la seva participació en xarxes metabòliques. Per tant, la variació d’energia lliure real s’expressa: § Els valors d’energia lliure són additius en reaccions acoblades. L’energia alliberada per reaccions exergòniques es pot utilitzar per a què les reaccions endergòniques es produeixin espontàniament.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria Enzims i catàlisi § Són proteïnes globulars biocatalitzadors, en concret macromolècules de 100 o més residus d’aminoàcids. Alguns són RNA, els ribozims.
§ Són específics d’efecte (tipus de reacció), de substrat i de isòmer.
§ Poden utilitzar coenzims (molècules orgàniques) i cofactors (ions metàl·lics).
§ Acceleren les reaccions 1015 vegades o més, però...
§ No alteren l’equilibri de la reacció, que sols depèn de la diferencia d’energia lliure entre reactius i productes.
§ Tenen un centre actiu on els substrats assoleixen l’estat intermedi o de transició.
§ 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.
§ Els ribozims també poden adoptar canvis conformacionals molt importants com per exemple: els ribosomes o els espliceosomes que són, de fet, ribozims. En el cas dels ribosomes que són complexes molt grans de ARN-proteïna i que s'encarreguen de la maquinària biosintètica de proteïnes, sembla que l'activitat real catalítica la duen a terme l'ARN i que les proteïnes tan sols tenen una funció estabilitzadora de l'estructura; dos tercis de l'estructura del ribosoma és, de fet, d'ARN i només un terci està fet de proteïnes. Aquestes molècules d'ARNr catalitzen la reacció d'unió d'aminoàcids o transpeptidació). Estabilitzar el nucli d'ARN permetent així els canvis en el ARNr i ajudar en l'assemblatge inicial del ARNr que formen el nucli ribosòmic semblen ser les principals funcions de les proteïnes dels ribosomes.
§ Una activitat semblant semblen tenir els espliceosomes, grans complexes d'elevat pes molecular multifuncionals encarregats bàsicament del tall i empalmament dels introns i exons de l'ARN transcrit primari immadur en el qual participen catalitzadors poc freqüents. En el procés d'eliminació d'introns es forma una curiosa estructura en forma de llaç (en castellà lazada, en anglès lariat) amb la capacitat fins i tot de catalitzar-se a si mateix, d'autoprocessament, la qual cosa indica que és per definició un ribozim. L'eliminació dels introns ha de ser, per una altra banda, molt específica i segura, ja que és un pas essencial en la biosíntesis proteica i condicionarà segurament de manera negativa els següents mecanismes biosintètics.
§ Els enzims acceleren la velocitat de la reacció catalitzada, però no alteren l’equilibri de reacció, per exemple: § La glucosa es pot oxidar espontàniament, però tarda molt temps; si li afegeixo energia tèrmica, s’oxida abans; si afegeixo enzims ho aconsegueixo molt ràpidament, però l’enzim no pot fer que torni al polisacàrid o disacàrid d’on prové.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria Catàlisi enzimàtica § 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.
Centre actiu § És una esquerda o entrant tridimensional formada pel grup R d’aminoàcids de distints punts de la cadena polipeptídica.
§ Representa una petita part del volum total de l’enzim.
§ És un microentorn únic que pot excloure, fins i tot, l’aigua.
§ Els substrats s’hi uneixen per interaccions febles, reversibles, no covalents.
§ La especificitat d’unió depèn de la perfecta disposició dels àtoms del substrat en el CA.
§ La interacció entre l’enzim i el/s substrat/s en el CA promou i facilita la formació de l'estat de transició.
§ La reacció catalitzada es molt més ràpida perquè requereix menys energia lliure d’activació per assolir 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-Menten (KM), que dona idea de l’afinitat pel substrat.
Paràmetres enzimàtics Representació de dobles recíprocs o de Lineweaver Burk Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria Tipus d’inhibició (enzimàtica) Factors que afecten a l’activitat enzimàtica Concentració de l’enzim (síntesi/degradació).
Concentració dels substrats i dels productes finals.
Disponibilitat dels coenzims i cofactors.
Activació per proteòlisi del proenzim inactiu.
Modificacions covalents (fosforilació per quinases/desfosforilació 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 conseqüències funcionals: activació o inhibició.
§ Isoenzims à catalitzen la mateixa reacció sobre el/s mateix/os substrat/s, però presenten petites variacions estructurals que els proporcionen propietats físicoquímiques distintes (pH òptim, afinitat pels substrats, activitat d’activadors i inhibidors), així com característiques de localització i d’origen i immunològiques distintes.
§ § § § § § § § Tipus d’enzims 1. Oxidoreductases à catalitzen reaccions d'oxidació i reducció.
Els electrons que resulten eliminats de la substància que s'oxida són acceptats per l'agent que causa l'oxidació (oxidant), que pateix així un procés de reducció. En els sistemes biològics FAD i el NAD participar-pa en nombroses reaccions redox.
2. Transferases à transfereixen un grup químic d'una molècula a una altra. 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.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria 3. Hidrolases à són un tipus especial de transferases que transfereixen un grup -OH des de l'aigua a un altre substrat. Es segreguen l'anterior grup de enzims pel seu caràcter irreversible. el substrat típic sol ser un enllaç èster (incloent el fosfodièster dels àcids nucleics o amida) 4. Liases à catalitzen l'escissió reversible d'enllaços carbonicarboni com en el cas de les aldolases. En alguns casos, com a conseqüència de la ruptura de l'enllaç, es generen nous dobles enllaços o anells. Altres enzims d'aquesta classe formen i trenquen enllaços C-N o alliberen CO2 (descarboxilació). En el cas de formació d'enllaços, aquests enzims no requereixen energia de nucleòsids trifosfat i s'anomenen sintases.
5. Isomerases à catalitzen reaccions que suposen un moviment d'un grup o un doble enllaç dins de la molècula, el que fa que s'obtingui un nou isòmer. Si es canvia la posició d'un grup fosfat l'enzim es diu mutasa.
6. Lligasa à catalitza la formació d'enllaços C-C però a diferència de les liases requereixen energia que obtenen de la hidròlisi d'ATP i es denominen sintetases.
Unitat d’activitat enzimàtica § La quantitat d'enzim que catalitza la conversió de 1 mmol de substrat en un minut.
§ L'activitat específica és el nombre d'unitats d'enzim per mil·ligram de proteïna (U / mg prot) o per mil·lilitre de dissolució (U / ml).
§ Recentment, el Sistema Internacional d'unitats (SI) ha definit la unitat d'activitat enzimàtica com la quantitat d'enzim que transforma 1 mol de substrat per segon.
Aquesta unitat es diu katal (kat). Com 1 mol són 106 µmoles i 1 minut són 60 segons, resulta que 1 katal equival a 60 x 106 U (6 x 107 U). Aquesta unitat és molt gran, de manera que s'utilitzen freqüentment els submúltiples com el microkatal (µkat, 10-6 kat) o el nanokatal (nkat, 10-9 kat). Inhibidors enzimàtics § La neostigmina es fa servir per millorar el to muscular en pacients amb miastènia gravis i, de rutina, s'usa en anestesiologia, al final d'una operació quirúrgica per revertir els efectes de relaxants musculars no-despolaritzant, com és el cas de Rocuroni i vecuronio.
§ Xantio oxidasa à catabolisme purines en àcid úric.
§ Monoamina oxidasa à degradació de neurotransmissors com serotonina, dopamina i noradrenalina.
Ona Muñarch Garcia 1r Infermeria § Els inhibidors de l'enzim conversor d'angiotensina (IECA) s'han establert com a medicaments útils, sols o en unió a altres fàrmacs, en el tractament de la hipertensió arterial sistèmica i en la insuficiència cardíaca congestiva. Els seus beneficis terapèutics en altres entitats patològiques com en la cardiopatia isquèmica, en la prevenció d'aterosclerosi o fins i tot en la malaltia d'Alzheimer, estan en etapa experimental o no han demostrat ser clarament avantatjosos sobre altres grups de fàrmacs.
§ L’ enzim hidroxi-3-metil-glutaril coenzim A reductasa (HMG-CoA reductasa) és el principal enzim regulador de la via de síntesi del colesterol.
§ Dihidrofolat reductasa à produeix àcid tetrahidrofòlic folat per a la síntesi del DNA i la proliferació cel·lular.
Quina és la velocitat màxima d’una reacció? ...