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Bioquímica y Biología Molecular

Maestría en Bioinformática

Laboratorio de Interacciones Moleculares

Facultad de Ciencias, UdelaR

Iguá 4225,11400 Montevideo, Uruguay

tel: + 598 2 525 86 18-22 ext 237

Bioenergética, Enzimas, Metabolismo….

http://www.fcien.edu.uy/

http://www.rau.edu.uy/universidad/

Metabolismo celular

Bioenergética: es el estudio cuantitativo de las transferencias energéticas

que se producen en las células así como la naturaleza y función de los procesos

químicos implicados en estas transferencia de energía.

Leyes de la Termodinámica:

Primera ley o principio de la conservación de la energía: en cualquier cambio físico o

químico, la cantidad total de energía del universo permanece constante.

Segunda ley: en todo los procesos la entropía del universo se incrementa o la

entropía de un sistema aislado tenderá a aumentar hacia un valor máximo.

SISTEMA: Es la porción de universo que tomamos como objeto de estudio.

Existen tres tipos de sistemas:

SISTEMAS AISLADOS (no intercambia materia ni energía)

SISTEMAS CERRADOS (no intercambia materia si energía)

SISTEMAS ABIERTOS (intercambia materia y energía)

ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de

propiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T)

SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO

¿Qué tipo de sistema es una célula?

Algunas definiciones:

Entalpía

H o entalpía, expresa el contenido de calor en una reacción a presión constante,

se mide como la diferencia entre: H(productos) – H(reactivos) = H

Cuando se libera calor se dice que es una reacción exotérmica y H es negativo

ya que el contenido de calor de los productos es menor que los reactivos; si la

reacción absorbe calor del medio se habla de una reacción endotérmica y

H es positivo. H es equivalente a E cuando no hay cambios de volumen.

Energía Libre

G o energía libre de Gibbs, expresa la cantidad de energía capaz de realizar

trabajo, se mide como la diferencia de energía entre

G(productos) – G(reactivos) = G,

si G es negativo si dice que es una reacción exergónica, si G es positivo la

reacción es endergónica.

Entropía

S o entropía, es una magnitud del desorden en un sistema, cuando los productos

son menos complejos y más desordenados que los reactivos la entropía aumenta,

S(productos) – S(reactivos) = S

Estas magnitudes (bajo condiciones de temperatura y presión constantes)

están relacionadas entre si de acuerdo con la siguiente ecuación:

G = H - T S

energía libre entalpía entropía

donde T es la temperatura absoluta (en grados K).

Todo proceso esta termodinámicamente favorecido cuando G es negativo

o es exergónico, cuando G = 0 el proceso esta en equilibrio.

G = H - T S

H S G

- + entalpía negativa, reacción exotérmica Negativo

y S positivo, aumenta la entropía.

+ - reacción endotérmica y disminuye la Positivo

entropía (a cualquier temp)

- - reacción favorecida por el H pero no Puede ser + o -

favorecida por el S (favorable a bajas temp)

+ + reacción endotérmica pero se favorece Puede ser + o -

por aumento de la entropía (favorable a altas temp)

Cambios

favorables de S

y H

Reacción dirigida

por H

Reacción dirigida

por S

Contribución de S y H a las reacciones químicas

Dependencia de G con la concentración de reactivos y productos

A + B C + D

CH3COOH CH3COO- + H+

[C][D] [CH3COO-][H+]

Keq = Ka =

[A][B] [CH3COOH]

Ka = 1.74 x 10-5

Cuando se alcanza el equilibrio, el valor de G = O

El potencial químico de una sustancia esta determinado por:

GA = GoA + RT ln[A] donde Go

A es el potencial químico en condiciones estándar

A + B C + D

G = G productos - G reactivos

(GC + GD) (GA + GB)

[C][D] [Productos]

G = GO + RT ln = GO + RT ln

[A][B] [Reactivos]

Go es la energía libre en condiciones

estándar, 1 M de reactivos y

productos, 25oC

R = 8.314 J/K.mol

T = temperatura absoluta en oK

G = 0 Go = - RT ln Keq

también se puede escribir Keq = e - Go / RT

¿Qué sucede cuando se alcanza el equilibrio?

Reacciones acopladas

Una cantidad termodinámica (ej: G, H o

S) nos indica si una reacción es permitida,

A B está “permitida”;

B A no es espontánea, a menos que se le

acople otra reacción favorecida (ej: ATP

ADP)

Sin embargo, para que la reacción se

produzca, la energía neta debe descender

(i.e., G total debe ser negativa.)


¿Cómo se aplican estos principios en el metabolismo celular?

La primera reacción de la glucólisis es la formación de glucosa-1-fosfato a

partir de glucosa, esta es una reacción desfavorable desde el punto de vista

termodinámico:

Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H2O Go = +13.8 kJ/mol

para hacer esta reacción posible se acopla con la hidrólisis de ATP,

ATP + H2O ADP + Pi Go = -30.5 kJ/mol

Glucosa + Pi Glucosa-6-fosfato + H2O Go = +13.8 kJ/mol

ATP + H2O ADP + Pi Go = -30.5 kJ/mol

Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP Go = -16.7 kJ/mol

Glucosa + 6O2 6CO2 + 6H20

si Ho = -2816 kJ/mol y So = +0.181 kJ/mol

¿Cuál es el valor de Go a 37oC?

¿Si se aumenta la temperatura, puede TSo igualar a Ho y hacer Go

cero ?

¿Si el Go de hidrólisis de ATP es -31 kJ/mol, cuál es el máximo de

moles de ATP que se podrían generar si se acopla a la oxidación

completa de glucosa la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi?

1) Go = Ho - TSo = - 2816 – (310º x 0.181 ) = - 2872 kJ/mol

2) No, es imposible porque So es + 0.181 y - T So siempre será un

valor negativo

3) 2872 kJ/mol / 31 kJ/mol = 92.6 ATP !!

¿Cuál es el rendimiento a nivel biológico?

38 ATP o sea 41 %

Gº’ = -RT ln Keq Keq = e - Gº’ / RT = 0.52

Quiere decir que el equilibrio hay [F6P]/[G6P] = 0.52

o sea hay 34% de F6P y 66% de G6P

¿Qué sucede en la célula?

Glucosa Glucosa-6-P Fructosa-6-P Piruvato

Glucosa-6-P Fructosa-6-P Go = + 1.7 kJ/mol

¿Cuál es la Keq de esta reacción?

83 µM 14 µM concentraciones intracelulares

[14x10-3M]

G = +1.7 kJ/mol + 0.0083 kJ//K.mol x 310oK ln = -2.9 kJ/mol

[83x10-3M]

Actividad celular muy coordinada y dirigida en la que

muchos sistemas multi-enzimáticos cooperan para

cumplir 4 funciones:

• obtener energía química a partir de nutrientes ricos en

energía

• convertir moléculas nutrientes en moléculas características

de la propia célula

• polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos

nucleicos, lípidos, polisacáridos y otros

• Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones

celulares especializadas

Metabolismo

Características del Metabolismo

1. Las vías metabólicas son irreversibles

2. Las vías anabólicas y catabólicas deben ser

diferentes

3. Cada vía metabólica tiene un primer paso limitante

4. Todas las vías metabólicas están reguladas

finamente

5. En los eucariotas las vías metabólicas transcurren

en localizaciones celulares específicas

Topografía del metabolismo

Citosol: Glucólisis, ruta de las pentosas,

síntesis de ácidos grasos, síntesis de nucleótidos,

reacciones de gluconeogénesis

Gránulos de glucógeno: síntesis y degradación

de glucógeno

Lisosoma: enzimas hidrolíticas

Mitocondria: Ciclo de Krebs, fosforilación

Oxidativa, oxidación de ácidos grasos,

catabolismo de aminoacidos

Golgi: Maduración de glucoproteínas,

Formación de membranas

Reticulo endoplasmico: síntesis de

lípidos

Ribosomas: síntesis de proteínas

Nucléolo: síntesis de RNA ribosómico

Núcleo: replicación de DNA, síntesis de tRNA,

mRNA, y de proteínas nucleares

Ciclo del ATP

1. Repulsión electrostática

2. Estabilización por

resonancia del Pi saliente

3. Ionización del ADP

4. Mayor solvatación de

ADP + Pi que ATP

Factores que influyen en el G de hidrólisis del ATP

G = Go’ + RT ln [ADP][Pi]

[ATP]

[ADP] = 0,25 x 10-3 M

[Pi] = 1,65 x 10-3 M

[ATP] = 2,25 x 10-3 M

G = -51,8 KJ/mol

Flujo de grupos fosfato

Oxidaciones y Generación de Energía Celular

Durante el metabolismo celular se producen oxidaciones de los sustratos

metabólicos (con la concomitante reducción de intermediarios) y estas

reacciones se utilizan para obtener energía.

Un compuesto que se oxida cede electrones (reductor)

Un compuesto que se reduce recibe electrones (oxidante)

Ejemplo: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu1+

Hay dos semi reacciones:

Fe2+ Fe3+ + 1e- oxidación

Cu2+ + 1e- Cu1+ reducción

Al igual que los ácidos y las bases, siempre que hay una oxidación (perdida de

electrones) debe haber una reducción (ganancia de electrones).

¿Quién se lleva los electrones?

NAD+ + 2e- + H+ NADH

E´o = - 0.320 V

Molécula que participa en las reacciones redox intracelulares

• Condiciones Standard : 1 M

• Comparado al par de referencia: 2H+ + 2e- <--> H2 (arbitrariamente cero).

• Se mide un E0 en voltios

1M H+

1 atm H2

1 M X

1 M XH2

1 M H+ salt bridge

E0

Potencial Redox

¿Quién se lleva los electrones?

A diferencia del G,

cuanto más grande y positivo

el potencial redox (Eo), mayor la

tendencia a aceptar electrones

(actuar como agente oxidante).

Hay una relación directa entre el

potencial redox y la energía libre:

G0 = -n F E0

Donde

E0 = Eo(aceptor)- Eo(donador)

n = número de electrones

F constante de Faraday

96.5 kJ/mol.V

Un valor de E positivo generará

valores de G negativos

Ejemplo:

Oxidación de NADH por oxígeno

NADH + H+ + 1/2O2 NAD+ + H2O

Las dos semi-reacciones serían:

NAD+ + H+ + 2e- NADH + H+ EO = -0.32 V

1/2O2 + H+ + 2e- H2O EO = +0.82 V

Usando G0 = -n F E0

G0 = - (2).(96.5 kJ/mol.V){0.82 V –(-0.32V)} = - 220 kJ/mol

A. Propiedades generales de las enzimas

B. Principios fundamentales de su acción catalítica

C. Introducción a la cinética enzimática

D. Enzimas reguladores

Enzimas

Propiedades generales de las enzimas

1. Son los catalizadores de las reacciones químicas en

los sistemas biológicos

2. Aceleran muchísimo la velocidad de las reacciones

(106 – 1014 veces).

3. Poseen un elevado grado de especificidad de

sustrato

4. La actividad catalítica depende de la integridad de la

estructura nativa así como del pH y temperatura.

La mayoría de las enzimas son proteínas:

• La función depende de la integridad de la

conformación proteica nativa

• Existen enzimas que son proteínas simples y otras

que requieren componentes químicos adicionales:

- Cofactores: - iones inorgánicos (Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+)

- complejos orgánicos o metaloorgánicos

(coenzimas)

Los cofactores unidos covalentemente: grupos prostéticos

• Holoenzima / Apoenzima



Las enzimas se clasifican según la reacción

catalizada: • Nomenclatura:

- Número clasificatorio de 4 dígitos (E.C.)

- Nombre sistemático

- Nombre trivial

ATP + D-Glucosa ADP + D-Glucosa-fosfato

Número clasificatorio: E.C. 2.7.1.1. (E.C: Enzyme Commission of the IUB:

International Union of Biiochemistry)

2. Clase: Transferasa

7. Subclase: Fosfotransferasa

1. Fosfotransferasas con OH como aceptor

1. D-glucosa como aceptor del fosfato

Nombre sistemático: ATP:glucosa fosfotransferasa

Nombre trivial: hexoquinasa

Nomenclatura: se adiciona sufijo “asa” al nombre del sustrato o de la reacción que cataliza




E. Enzimas reguladores

Enzimas

Figure 3-48 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

¿ cómo funcionan las enzimas ?

Principios fundamentales de la acción catalítica de las enzimas

Las enzimas alteran las velocidades de reacción

pero no los equilibrios

(B) E + S ES EP E + P

(A) S P

(A) (B)

Las velocidades de reacción y los equilibrios

tienen definiciones termodinámicas precisas

• Equilibrio de reacción depende ΔG’o

• Velocidad de reacción depende de ΔG‡

S P Keq’ = [P]

[S] G’o = - RT ln Keq’

V = k [S] k = h

e - G‡ / RT KT

K = constante de Boltzmann

h = constante de Planck

Las interacciones débiles entre enzima y sustrato

son óptimas en el estado de transición




D. Enzimas reguladores

Enzimas

El modelo de Michaelis-Menten (1913)

Leonor Michaelis Maud Menten

Postularon que la enzima se combina en primer lugar

con el sustrato, de forma reversible

El complejo se descompone en una reacción más

lenta, dando lugar al producto y enzima libre

Cinética del estado estacionario

Cinética del estado estacionario

d[ES] = k1 [E][S] dt

- d[ES] = k-1 [ES] + k2[ES]

dt

E + S ↔ ES → E + P k1

k-1

k2

ET = EL + ES

EL = ET - ES

E + S ↔ ES → E + P

Formación de ES: k1[EL][S]

Descomposición de ES: k-1 [ES] + k2 [ES]

k1[EL][S] = k-1 [ES] + k2 [ES]

k-1+ k2 = [EL][S]

k1 [ES]

k-1+ k2 = [ET - ES][S]

k1 [ES] KM =

Constante de Michaelis:

Constante de disociación del complejo ES:

k-1 = [EL][S]

k1 [ES] Ks =

Relación entre concentración de sustrato y

velocidad de reacción enzimática

La velocidad inicial de la reacción siempre

corresponde a la ecuación:

vo = k2 [ES]

Cuando toda la enzima se encuentra formando

complejo ES:

vmax = k2 [ET]

Relación entre concentración de sustrato y

velocidad de reacción enzimática

k1[EL][S] = k-1 [ES] + k2 [ES]

k1[ET - ES][S] = k-1 [ES] + k2 [ES]

k1[ET][S] – k1[ES][S] = k-1 [ES] + k2 [ES]

k1[ET] [S] = k-1 [ES] + k2 [ES] + k1[ES][S]

k1[ET] [S] = [ES] (k-1 + k2 + k1[S])

Dividimos por k1: [ET] [S] = [ES] ((k-1 + k2 ) + [S])

k1

[ET] [S] = [ES] (KM +[S])

(KM +[S])

[ET] [S] [ES] = y

[ET]

vmax k2 =

como vo = k2 [ES]

vo = vmax [S]

KM + [S]

Ecuación de

Michaelis-Menten

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/Gr%C3%A1fica_de_la_saturaci%C3%B3n_de_una_enzima.jpg

La concentración de sustrato afecta la velocidad

de reacción catalizada por enzimas

Km y Vmax son característicos para cada pareja

enzima-sustrato

Gráfico de dobles recíprocos

1 KM 1 1

vo Vmax [S] Vmax

= +

Ecuación de Lineweaver -Burk

y= ax + b

El Nº de recambio es el número de moléculas

de sustrato convertidas en producto por una

molécula de enzima, cuando la enzima está

saturada.

Si k2 es la constante del paso limitante de

reacción entonces:

k2 = kcat o Número de recambio

1/kcat es el tiempo que dura un ciclo catalítico.

Muchas enzimas catalizan reacciones con dos

o más sustratos

Inhibición competitiva

KM aparente es mayor que KM real

Vmáx no se modifica

Inhibición no-competitiva

Inhibición acompetitiva

Efecto del pH sobre la actividad enzimática




D. Enzimas reguladoras

Enzimas

Así es que funciona la

regulación alostérica

de enzimas

1. Enzimas alostéricas

Enzimas reguladoras

2. Modulación covalente reversible

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