QUÍMICA BIOLÓGICAQUÍMICA BIOLÓGICA

LIC. NUTRICIÓNLIC. NUTRICIÓN

2014

PROGRAMA ANALITICO Y/O DE EXAMEN LIC. NUTRICIÓNLIC. NUTRICIÓN QCA. BIOLÓGICAQCA. BIOLÓGICA

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Tema 1: Introducción a la Bioquímica de la Nutrición. Objeto de estudio. Relación con otras ramas de las ciencias biológicas y de la salud. Compuestos constituyentes de la materia viva. Función de los nutrientes y otros componentes dietéticos en la nutriciónConcepto de Metabolismo. Anabolismo y catabolismo. Vías, ciclos y cascadas metabólicas.

Enzimas. Caracteres generales. Nomenclatura y clasificación. Coenzimas. Cinética enzimática. Factores que afectan la actividad enzimática: temperatura, pH, concentración de enzima y concentración de sustrato. Ecuación de Michaelis-Menten. Inhibición de enzimas: competitiva y no competitiva. Regulación enzimática: compartimentalización, enzimas alostéricas, modificación por unión covalente. Isoenzimas. Zimógenos.

La La Actividad Actividad de una enzima puede de una enzima puede determinarse midiendodeterminarse midiendo

La cantidad de producto que se forma

ó

La cantidad de sustrato que se consume

En un tiempo dado

En una mezcla que contenga todos los factores requeridos para la reacción

¿Cómo se mide la Actividad de una Enzima?

[S] + E [ ES ] E + [P]

ACTIVIDAD ENZIMÁTICAACTIVIDAD ENZIMÁTICA

Formas de expresar la Actividad de una Enzima• Unidades Internacionales (UI)

Cantidad de enzima que cataliza la transformación de

1 mol de S por minuto

• Actividad Molecular ó Numero de Recambio Moléculas de S convertibles en P por unidad de tiempo y por molécula de enzima

U.I.E. =mol de S transformados

min(1 katal = 6 x 107 U.I.E.)

Actividad molecular = Mol de enzima

mol de S transformados/min

+ +Prot.Tot: ∑ + +Prot.Tot: ∑ +

AB

+Prot.Tot: ∑

Prot.Tot: ∑

D

Actividad específica

U.I.E.

mgr de proteína= =

Activ. Enzimática

Prot. totales

Actividad Específica Actividad enzimática por cada miligramo de proteína presente en la muestra

¿Qué cambios ocurren ¿Qué cambios ocurren en las reacciones enzimáticas?en las reacciones enzimáticas?

Las transformaciones químicas en los sistemas biológicos se acompañan de cambios energéticos.

Conocer estos cambios permite entender la lógica y sentido del METABOLISMO celular.

Los seres vivos requieren y utilizan la energía de su entorno, para realizar trabajo.

Energía libre Energía libre (G) (G) (Energía de Gibbs): es la fracción de la energía liberada en las reacciones bioquímicas que es disponible para realizar trabajo útil (mecánico, químico, osmótico)

Si se determina el cambio de G cambio de G (G), se puede predecir el sentido de una reacción química, si ocurrirá espontáneamente o no.

Si los Reactivos tienen mayor energía que los Productos

Si G del sistema disminuye (- G) La reacción es exergónica, se libera energía

durante la reacción

Si los P tienen más energía que los Reactivos Si G del sistema aumenta (+G) La reacción es endergónica, necesita energía

para que ocurra

Reacción espontánea

Reacción NO espontánea

Diagrama de coordenadas de una reacción catalizada y sin catalizar

P

Energía de activación de la reacción NO catalizada

S

Energía Libre (G) Estado de transición o de activación

Progreso de la reacción

Energía de activación de

la reacción CATALIZADA

(por una Enzima)

Enz-S Enz-P

Energía de activación (Ea): Energía de activación (Ea): es la energía necesaria para alcanzar el estado activado

El estado de transición o barrera de activación, representa los cambios que se generan en la molécula del S.

Es por esto que las reacciones sin catalizar tienden a ser muy lentas.

Todas las moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, temperatura suave y ambiente acuoso en el interior de las células.

Todas las reacciones químicas celulares se llevan a cabo porque las enzimas actúan disminuyendo la las enzimas actúan disminuyendo la barrera energética entre el S y el P.barrera energética entre el S y el P.

Las enzimas actúan disminuyendo la EaLas enzimas actúan disminuyendo la Ea

Factores que afectan la Actividad Enzimática

• Concentración de EnzimaConcentración de Enzima

• pHpH

• TemperaturaTemperatura

• Concentración de SustratoConcentración de Sustrato

Efecto de la concentración de Enzima Efecto de la concentración de Enzima sobre la Actividad Enzimática

[E]

Vo

Concentración saturante de sustrato, pH y T°C constantes

Se establece la relación entre Cantidad y Actividad de enzima

Velocidad de reaccióndirectamente proporcional a la concentración de enzima

pH óptimo

6 8

pH óptimo es aquel en el cual el estado de disociación de los grupos esenciales es el más apropiado para interaccionar en el complejo ES

• Los cambios del pH del medio afectan el estado de ionización de grupos funcionales de las moléculas de E y S.

• Para la formación del [ES] es necesaria una correcta distribución de las cargas en ambas moléculas

• Concentración de sustrato, E y Concentración de sustrato, E y T°C constantesT°C constantes

Ejemplos de enzimas con diferentes pH óptimoEjemplos de enzimas con diferentes pH óptimo

Influencia de la TemperaturaInfluencia de la Temperatura sobre la Actividad Enzimática

Temperatura(°C)

Actividad enzimática

Temperatura óptima a

ctivi

dad

por

d

e la

te

mpe

ratu

raDesnaturalización

por temperatura

Actividad

Concentración de S, E y pHConcentración de S, E y pH constantesconstantes

Influencia de la concentración de Sustrato Influencia de la concentración de Sustrato sobre la velocidad inicial

[E], pH, T°C: constantes

Curva hiperbólicaCurva hiperbólica

ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTENCinética del estado estacionario

V0= Velocidad inicial de la reacciónVmáx= Velocidad MáximaKm= constante de Michaelis[S]= concentración del sustrato

Reacción de orden cero

Reacción de 1° orden

V0= Velocidad inicial de la reacciónVmáx= Velocidad MáximaKm= constante de Michaelis[S]= concentración del sustrato

Ecuación de Michaelis – Menten

Km = [S]cuando

V0 = ½ Vmáx

Constante de Michaelis (Km)Constante de Michaelis (Km) Es característica de una enzima y su sustrato particular

Refleja la afinidad del sustrato por la enzima, en relación inversa:

menor Km mayor afinidad E por el S

Km es numéricamente igual a la concentración del sustrato que corresponde a una velocidad de reacción igual a la mitad de la velocidad máxima.

En condiciones definidas de pH, T°C, Km tiene un valor fijo para cada enzima y sirve para caracterizarla.

Ecuación de Michaelis – Menten

Km = [S]cuando

V0 = ½ Vmáx

= Km, Constante de Michaelis

Gráfica doble recíproca o de Lineweaver-Burk

Ordenada al Origen = 1 / Vmáx

Pendiente = Km / Vmáx

Intersección con eje X = - 1 / Km

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA

INHIBICION REVERSIBLE

INHIBICION IRREVERSIBLE

COMPETITIVA

NO COMPETITIVA

(ACOMPETITIVA)

POR ENLACE COVALENTE

INHIBIDOR SUICIDA

DIFP Quimotripsina

Alopurinol Xantina oxidasa

Penicilina Transpeptidasa

INHIBICION REVERSIBLEINHIBICION REVERSIBLE

INHIBICION COMPETITIVA

S

I

EI

I

+

E + S ES E + P

E

E

E

KM ap = Km(1 + [I]/Ki)

[E] [I]

[EI]Ki =

Ejemplo de Inhibidor competitivo

COO-

(CH2)2

COO-

COO-

CH2

COO-

Succinato + FADH2 Fumarato + FAD+

Succinato deshidrogenasa

SuccinatoMalonato

1/v

1/[S]

v

[S]

-1/Km -1/Kmap

Km Km ap

Gráfica de M-M

Gráfica de L-B

Efecto de un Efecto de un Inhibidor Competitivo Inhibidor Competitivo

sobre la Actividad Enzimática Km= Vmáx

E + S ES E + P

INHIBICION NO COMPETITIVA

+

I

EI

+

I

ESI+ S

I I

ESE

S

E S

II

ES

-1/Km1/[S]

1/v

Gráfica de L-B

Km [S]

v

Gráfica de M-M

Vmáx ap.= Vmax.s/I

Km(1 + [I]/Ki)

Efecto de un Efecto de un Inhibidor No Competitivo Inhibidor No Competitivo

sobre la Actividad Enzimática

= Km Vmáx

Tipo de El Inhibidor Efecto Efecto inhibición se une a s/Vmáx s/Km Competitiva E Ninguno Aumenta

No competitiva E y ES Disminuye Ninguno

Características de los diferentes tipos de inhibición reversible

Km c/I. = Km s/Inh. x (1+ [I]/Ki)

Vmáx c/I= Vmáx. s/Inh. / 1 + [I]/ Ki

Acción de inhibidores a distinta concentración

Pendiente = Km / Vmáx

COMPETITIVA NO COMPETITIVA

INHIBICION IRREVERSIBLEINHIBICION IRREVERSIBLE

- Acetilcolinesterasa

- QuimotripsinaEnzima inactivada

Por unión covalente del inhibidor

Diisopropilfluorfosfato (DFP)

Inhibidor suicida

INHIBICION IRREVERSIBLE

Se asemeja a la estructura del S.

Se une al sitio activo de la enzima y ésta cataliza la modificación

del inhibidor a otro compuesto que permanece unido a la enzima.

Produce un cambio permanente sobre la enzima.

Ej: El ALOPURINOL es un inhibidor suicida que actúa sobre la enzima xantina oxidasa (degradación de purinas).

Se forma el oxopurinol el cual queda unido a la enzima.

REGULACIÓN DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS

REGULACION DE LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS

REGULACION DE LA SINTESIS

DE LAS ENZIMAS

ENZIMAS ALOSTERICASPOR MODIFICACIÓN

COVALENTE

REGULACION POR PROTEINAS

REGULACION POR PROTEOLISIS

ENZIMAS ALOSTÉRICASENZIMAS ALOSTÉRICAS

Enzima 1 ENZIMA ALOSTERICA

MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS

Enzima Enzima Enzima Enzima

1 2 3 4

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS ALOSTÉRICAS

• Poseen un sitio de unión a un metabolito regulador o sitio alostérico, diferente al sitio activo. (Allo: otro, stereo:lugar)

• La unión del metabolito a la enzima es de carácter reversible y no covalente.

• En general poseen dos o mas sitios reguladores.

• La mayoría posee dos o mas cadenas polipeptídicas o subunidades.

• En general tienen un comportamiento cinético sigmoideo

• La regulación es inmediata

ENZIMAS ALOSTÉRICAS

MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS

CINETICA DE UNA ENZIMA ALOSTÉRICACurva Sigmoidea

EJEMPLOS DE ENZIMAS ALOSTÉRICAS

• Hexoquinasa, Fosfofructoquinasa y Piruvato Quinasa Vía glicolítica

• AcetilCoA carboxilasa Biosíntesis de lípidos

• Aspartato Transcarbamilasa Biosíntesis de nucleó tidos pirimidínicos• Glutamato Deshidrogenasa Degradación de aminoácidos• Citrato sintasa, isocitrato y a-cetoglutarato deshidrogenasas

Ciclo de Krebs

Ej. Regulación AlostéricaActividad de Aspartato transcarbamilasa (ATCasa)

v

Aspartato (mM)

REGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTEREGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTE

Fosforilación

ADP-Ribosilación

Enzima

Fosfoadenilación

Enzima

•POR UNION COVALENTE DE GRUPOS (FOSFATOS , ADENILATOS, ETC.)

•INTERVIENEN ENZIMAS: QUINASAS, FOSFATASAS

•LA UNION DEL GRUPO PUEDE ACTIVAR O INHIBIR LA ENZIMA POR UN CAMBIO CONFORMACIONAL

•ES INMEDIATA

Fosforilasa fosfatasa

2 Pi

2 H2O

Fosforilasaquinasa

ATP

ADP

Fosforilasa b

P -O-CH2 CH2- O- P

Fosforilasa a

(menos activa)

(Cadena lateral de Ser)

CH2- HOHO-CH2

REGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTEREGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTE

REGULACIÓN POR PROTEÓLISISREGULACIÓN POR PROTEÓLISIS

• Por eliminación de una cadena peptídica, enzimas inactivas se convierten en enzimas activas y viceversa.

• Las enzimas digestivas: pepsinógeno y quimotripsinógeno se convierten en las enzimas activas pepsina y tripsina.

• Suele ocurrir una activación secuencial produciéndose una cascada de activaciones. Ej. Coagulación sanguínea.

ZIMÓGENOSZIMÓGENOS

ISOENZIMASISOENZIMAS

Diferentes formas moleculares de una

misma enzima.

Catalizan la misma reacción, actuando sobre

el mismo sustrato para dar el mismo producto

Son sintetizadas por genes diferentes

Tienen diferente composición aminoacídica

por lo que pueden separarse por electroforesis.

Lactato deshidrogenasa (LDH)

Presenta 5 isoenzimas con distinta composición en cuanto a sus subunidades y c/u es específica de un tejido.

H4 H3M H2M2 HM3 M4

M > Músculo

H > Corazón

Piruvato + NADH Lactato + NAD+

Ejemplo de isoenzimas: Glucoquinasa y Hexoquinasa

Hexoquinasa

Glucoquinasa

Actividadenzimática

Km. hexq Km. glucq [glucosa mmol/l

•Cuando la concentración de glucosa en sangre es baja solo actúa la hexoquinasa.

•Cuando es elevada, por ejemplo luego de una comida, actúan ambas: hexoquinasa y glucoquinasa.

BIBLIOGRAFÍA -BLANCO, A., "Química Biológica", Ed. El Ateneo, 9° Edición, Bs.As, 2011-CHAMPE, HARVEY, FERRIER, “Bioquímica”,Ed Mac Graw- Hill Interamericana, 3° Edición. 2006-LEHNINGER, A.L., NELSON, D., COX, M., "Principios de Bioquímica", Editorial Omega, S.A., 4° Ed., 2006. Reimpresión año 2008.