BIOLOGIA II

EL METABOLISME CEL·LULAR I ELS ENZIMS

EL METABOLISME CEL·LULAR I ELS ENZIMS• Identificació de les característiques generals del metabolisme cel·lular.

• Coneixement dels aspectes energètics del metabolisme.

• Diferenciació dels tipus d’organismes segons el seu metabolisme.

• Comparació entre l’anabolisme i el catabolisme.

• Anàlisi del procés de regulació de les vies metabòliques: els enzims. • Quantificació de la influència de diversos factors sobre l’activitat

enzimàtica.  

El Metabolisme Cel·lular

• Conjunt de reaccions químiques que es produeixen a l’interior cel·lular

Obtenir matèria Obtenir energia

Per construir i reparar/renovar l’organisme i per reproduir-se

Per enmagatzemar-la i per realitzar les funcions, mantenir la temperatura, moviment, etc..

METABOLISME EXTRACEL·LULAR

METABOLISME

METABOLISME INTRACEL·LULAR

CATABOLISME ANABOLISME

Digestió Intercanvi de gasos Circulació de nutrients

CATABOLISME ANABOLISMEReaccions Catabòliques Reacions anabòliques

• Són reaccions de degradació.

•Són reaccions d’oxidació

•Desprenen energia

•Partim de molècules complexes per arribar a molècules senzilles.

•Són reaccions de síntesi

•Són reaccions de reducció

•Necessiten energia

•Es parteix de biomolècules simples per arribar a molècules complexes

Totes les reaccions metabòliques estancatalitzades per biocatalitzadors o enzims.

La molècula primera és diu substrat i la final producte.

Els S i P d’una via metabòlica es diuen metabòlits o metabòlits intermedis.

Totes les reaccions intermèdies formen part d’una via metabòlica

L’ATP moneda d’intercanvi energètic

Enllaços ESTER que emmagatzemen energia. Són

fàcils de fer i desfer

ATP---->ADP+Pi------->AMP + 2Pi

TIPUS DE METABOLISMETipus d’organisme segons el seu metabolisme

Origen de l’energia

Origen del Carboni

Exemples

FOTOLITOTROF (fotoautòtrof)

LLUM CO2 Plantes, algues, cianobacteris, Bacteris verds i porpres del Sofre

FOTOORGANÒTROF (Fotoheteròtrof)

LLUM ORGÀNIC Bacteris porpres no sulfuris

QUIMIOLITOTROF (Quimioautotròf)

REACCIONS QUÍMIQUES

CO2 Bacteris nitrificants i incolors del sofre

QUIMIOORGANOTROFS (Quimioheterotrofs)

REACCIONS QUÍMIQUES

ORGÀNIC Animals, fongs, protozoos i bacteris

1. Què passaria si l’energia continguda en els enllaços dels

compostos orgànics, no s'alliberés gradualment i s'emmagatzemés

en milions de molècules d’ATP, sinó que s’alliberessin de manera

sobtada?

2. Quina és la diferència més important entre fotosíntesi i

quimiosíntesi?

3. En general, què subministren a les cèl·lules les reaccions

catabòliques?

4. Què diferencia als organismes litòtrofs dels organòtrofs?

Control del MetabolismeA les cèl·lules es produeixen moltes reaccions químiques (metabòliques) simultàniament.

El control d’aquestes reaccions fa que es produeixin reaccions concretesen moments concrets.

HORMONES ENZIMSCONTROL

Control del Metabolisme

Les reaccions químiques, per produir-se necessiten energia

A la cèl·lula la temperatura no pot ser superior a 50º.

Les biomolècules són molt estables a temperatura ambient.

La concentració no és molt elevada.

Les biomolècules són de moltes naturaleses.

Factors que influencien en la velocitat de

reacció

Enzims

1. Fan que les reaccions químiques es realitzin a grans velocitats en temperatures relativament baixes

2. Controlen les reaccions on intervenen evitant una despesa excesiva d’energia i substrat

1. Permeten la coordinació dels diferents processos metabòlics

Característiques1. Com a catalitzadors: no alteren el producte final de la reacció, intervenen

en la reacció sense patir cap modificació, no alteren la constant d’equilibri de la reacció i són específics

2. Poden actuar a nivell intracel·lular i a nivell extracel·lular3. Es poden regular

L’activitat enzimatica.L'acció enzimàtica es caracteritza per la formació d'un complex (ES) que redueix enormement l'estat de transició

CENTRE ACTIU• Centre actiu: Zona de la molècula on s'uneix el substrat i on es

regulen l'activitat enzimàtica.

• El substrat s'uneix a l'enzim a través de nombroses interaccions

febles com son: ponts d'hidrogen, electrostàtiques,Hidròfobes, etc,

en un lloc específic , el centre actiu. Aquest centre és una petita

porció de l'enzim, constituït per una sèrie que aminoàcids que

interaccionen amb el substrat.

És el lloc on s’uneix el substrat i on es produeix la catàlisi

Esta format per aminoàcids que poden estar molt allunyatsa l’estructura primària

Esta situat a la superfície dels enzims formant un solc

Durant la catàlisi els enzims formen un complex amb el substrat

MECANISMES D’ACCIÓ ENZIMÀTICA

Centre actiu

E + S ES E + PE + S ES E + P

Conté aminoàcids que uneixen elsubstrat i aminoàcids catalítics

S’uneixen al substrat per una part denominada centre actiu. En aquesta regió hi ha les condicions que afavoreixen el canvi del substrat a producte. La unió es específica i respon a dos models d’unió.

Hi ha enzims que tenen, a part del centre actiu, un o més centres al·lostèrics

Segons la seva estructura, els enzims poden diferenciar-se en 2 tipus:1. Enzims estrictament proteicsFormats exclusivament per aminoàcids

2. HoloenzimsEnzims formats per un APOENZIM (fracció proteica) més un COFACTOR (fracció no proteica)

ESTRUCTURA DELS ENZIMS

Mecanismes d’unióModel de clau-pany

Model d’acoblament induït

Factors que modifiquen l’activitat enzimàtica

Temperatura: De manera general, l’augment de la tª implica un augment de l’activitat

enzimàtica. No obstant, existeix una tª òptima on l’activitat és màxima.A mesura que

ens separem d’aquesta tª l’activitat disminueix. Si la tª és massa elevada, l’activitat pot

desaparèixer totalment perquè l’enzim es desnaturalitza

[ S ]: A una concentració d’enzim constant, a mesura que augmenta la

concentració de substrat, augmenta la velocitat de la reacció, fins arribar a una

concentració on es produeix una saturació de l’enzim: encara que afegim substrat,

la velocitat no augmenta molt.

Factors que modifiquen l’activitat enzimàtica

pH: Semblant a l’efecte de la tª: existeix un ph òptim on l’activitat és màxima i a mesura que ens allunyem, l’enzim perd eficàcia. El ph canvia el grau d’ionització dels radicals dels aa., modificant així el centre actiu

[ E ] :A una concentració de substrat constant, a mesura que augmentem la concentració de l’enzim, augmenta la velocitat de la reacció

COFACTORS: Si no existeixen, l’enzim no pot efectuar la seva funció

Estructura dels enzims

• Enzims estrictament proteics.• Els holoenzims.Fracció polipeptídica(apoenzim) + no polipeptídica

(cofactor)

Cofactor inorgànic. Quan es tracta d'ions metàl·lics (poques vegades altres molècules inorgàniques). En són exemples el Zn2+ i el Mg2+

Cofactor orgànic o Coenzim. Quan és una molècula orgànica. S’ha d’assenyalar, que moltes vitamines funcionen com coenzims. En són exemples el NAD+, el NADP+, el FAD+, el coenzim A, etc

Quan la part no proteica és orgànica i està unida per enllaços covalents s’anomena grup prostètic.

COFACTORS

Propietats dels coenzims

• No són específics d´un tipus d´apoenzima: Un coenzim pot fixar-se a diferents apoenzims. Ex: NAD + deshidrogenases

• Poden alterar-se al llarg de la reacció enzimàtica, tot i que després es regeneren i tornen a ser funcionals

Entre els coenzims més coneguts es troben els

COENZIMS REDUCTORS NAD (nicotinamida-adenín- dinucleótido)

NADP (fosfat de NAD)

FMN (flavín-monomucleótido), el

FAD (flavín-adenín-dinucleótido), etc.

coenzima A: encarregada de transferir grups acil (–CO–CH3)

COENZIMS TRANSPORTADORS D’ENERGIA

ATPCTPGTPTTP

COENZIM DE TRANSFERÈNCIA

Les vitamines• Són glúcids o lípids senzills• Els animals no poden sintetitzar-les, s’han d’ingerir.• Algunes s’ingereixen com pro-vitamines ( A i D).• Algunes les sintetitza la flora bacteriana intestinal (K i

algunes B)• Importants com coenzims enzimàtics• Són molt làbils

• Hi ha dos tipusLiposolubles A, D, E, K.

Hidrosolubles Grup B, C

Cinètica enzimàtica

• Com que hi ha més molècules de substrat per unitat de volum, s'augmenta la probabilitat de trobada entre el substrat i l'enzim.

La velocidad de la reacción tiene relación con la energía

de las moléculas de sustrato. Un conjunto de

moléculas sigue una distribución normal de

energía, de forma que para una energía de activación,

solo una parte de esas moléculas tiene energía

suficiente para reaccionar.

A partir d'aquest comportament enzimàtic, Leonor Michaelis i Maud Menten van definir la constant de Michaelis-Menten (KM),

Concentració del substrat a la qual la velocitat de reacció la meitat de la velocitat màima. La constant KM depè del grau d'afinitat que hi ha entre l'enzim i el substrat.

V= Vmax [S] / (KM + [S])

La Km ens indica la afinitat que te el enzim pel substrat.

Una Km alta implica una afinitat baixa, i al contrari.

Obtendrá una diferente KM, según el sustrato específico

ENZIMS AL·LOSTÈRICS• Són enzims formats per vàries unitats de proteïna entre les

quals hi ha cooperació.

• Els enzims al·lostèrics poden adoptar una forma tensa (“T”) de baixa afinitat o una relaxada (“R”) d’alta afinitat. La transició entre R i T depèn de la presècia d’activadors i inhibidors.

Els enzims al·lostèrics són comuns a processos multienzimàtics, on un dels productes finals pot regular una de les primeres reaccions.

EL COOPERATIVISME

Els enzims al·lostèrics solen estar formats per diferents unitats

proteiques (pròtomers), cada protòmer conté un CA i un Centre

Regulador.

La variació de la conformació d’un protòmer influencia sobre la

configuració del protòmer associat.

Moltes rutes metabòliques estan formades per la unió de

diferents enzims que treballen cooperativament en una ruta

metabòlica. (veure vídeo en el hipervincle)

Flash control

alostèric

Regulació enzimàtica

• Control genètic. Si la cèl·lula necessita un enzim, el sintetitza. (control hormonal)

• Enzims al·lostèrics. Tenen substàncies que els activen o desactiven.– Activadors. Alguns cations metàl·lics (Cu2+,Mg2+) – Inhibidors. Molècules específiques o ions.

Pèrdua de l’activitat enzimàtica deguda a la unió d’alguns compostos anomenats inhibidors (I).

Distingim:

Inhibició irreversibleLa unió enzim + inhibidor ( EI ) provoca danys permanents a l’enzim

Inhibició reversibleEl dany a l’enzim només es produeix quan l’inhibidor està unit a ell. Segons on s’uneix l’inhibidor, diferenciem:

• Competitiva:l’inhibidor, molt semblant al substrat, s’uneix a l’enzim al mateix lloc que el substrat

• No competitiva:l’inhibidor s’uneix a l’enzim en un lloc diferent al substrat. Es formen complexes EI i ESI que són inactius.

Inhibició enzimàtica

Zimogen o proenzim: precursor inactiu d’un enzim

L’activació dels zimògens es fa a traves de la hidròlisi d’enllaços peptídicsAquest mecanisme només es dona una vegada a la vida de l’enzim

REGULACIÓ DE L’ACTIVITAT ENZIMÀTICA

Exemples d’activació per proteòlisi

Enzims digestius

Coagulació de la sang

Prohormones Hormones

Apoptosi o mort cel·lular programada (caspases)

Metamorfosi (procol.lagenasa)

Inhibició reversible no competitiva

Inhibició reversible competitiva

La gráfica muestra los resultados de la velocidad de reacción frente a la concentración del sustrato

para: A. una enzima en presencia de un inhibidor competitivo

B. una e nzima en presencia de un inhibidor  no-competitivo

C. una e nzima alostérica

D. una e nzima en presencia de  un inhibidor acompetitivo

E. dos enzimas compitiendo por el mismo sustrato

En la presencia de alcohol deshidrogenasa, la velocidad de reducción del acetaldehido a etanol aumenta a medida que lo hace la

concentración de acetaldehido. Eventualmente la velocidad de reacción alcanza un máximo, donde posteriores aumentos de la

concentración de acetaldehido no tienen efecto. ¿Por qué? 

• A. Todas las moléculas de acetaldehido deshidrogenasa están unidas a moléculas de acetaldehido.

• B. A altas concentraciones de acetaldehido, la energía de activación de la reacción desciende

• C. La enzima ya no es específica para el acetaldehido• D. 

Para altas concentraciones de acetaldehido, el cambio en energía libre de la reacción disminuye.

¿Cuál de las siguientes gráficas muestra los resultados de la velocidad de una reacción frente a la concentración de sustrato para una enzima no-alostérica, en ausencia y en presencia de un inhibidor no competitivo (los inhibidores no

competitivos se unen a la enzima en un lugar diferente del centro activo)?

Classificació dels enzims

ClassificacióEls enzims solen anomenar-se afegint el sufix –asa al nom del substrat.

Nom de substrat + reacció de l´enzim + sufix –asa

Ex: Lactatodeshidrogenasa (deshidrogenació de l´àcid làctic)Fosfoglucoisomerasa (isomerització de la Glu-6-fosfat a fructosa -6-fosfat)

Nomenclatura tradicional: Pepsina, tripsina

Exemples : Ureasa, fosfatasa

Hi ha 6 classes principals de reaccions:

1. Oxidoreductases: Reaccions d’oxidació-reducció

2. Transferases Transferència de grups entre molècules

3. Hidrolases Hidròlisi d’enllaços en presència d’H2O

4. Liases Es trenquen enllaços i apareixen dobles enllaços

5. Isomerases Regulen reaccions d’isomerització

6. Ligases Creen nous enllaços gràcies a l’ATP

• OXIDOREDUCTASESCatalitzen reaccions en les quals té lloc una oxidació o reducció del substrat. Són enzims propis de la cadena respiratòria.

Les deshidrogenases separen l'hidrogen del substrat (són, per tant, oxidants). Usen com coenzims el NAD, NADP, FAD, .

Les oxidases capten electrons del substrat i els transfereixen a un aceptor, l'oxigen. Per a això, primer es redueixen i després s’oxiden.

• TRANSFERASES

Transfereixen radicals d'un substrat a un altre sense que en cap moment quedin lliures aquests radicals. Segons el radical a transferir, es divideixen en vuit subclasses.

• HIDROLASES

Són enzims que actuen mitjançant reaccions d'hidròlisi, trencant enllaços per introducció dels radicals –OH i –H procedents de la ruptura d'una molècula d'aigua.

• LIASES

. Catalitzen reaccions en les que es trenquen enllaços C–C, C–N o C–O, amb pèrdua

de grups i, generalment, amb l'aparició d'enllaços dobles. Per exemple, les

desaminases retiren radicals amino

Descarboxilació

• ISOMERASES

Són enzims que regulen reaccions de isomerització, en les quals el substrat es transforma en una altra molècula isòmera

• LIGASAS

Uneixen molècules o radicals mitjançant l'energia proporcionada per la desfosforilació d'una molècula de ATP

http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/animaciones/pc011.gif

http://www.biologiasur.org/apuntes/

http://b-log-ia20.blogspot.com.es/2011/11/enzimas-naturaleza-quimica-y-estructura.html

http://www.bionova.org.es/biocast/tema14.htm