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VIAS METABÓLICAS.ENZIMAS

METABOLISMO

El conjunto de las reacciones químicas que tienen lugar en el seno de los tejidos constituye el metabolismo.Estas reacciones pueden estar dirigidos a:• Obtener energía y poder reductor de los

alimentos.• Degradar los compuestos ingresados en

productos más simples, utilizables como precursores para la síntesis de moléculas constituyentes de tejidos y órganos.

METABOLISMO

•Procesos degradativos: CATABOLISMO

•Procesos de biosíntesis: ANABOLISMO

VIAS METABÓLICAS

• Las transformaciones metabólicas se realizan a través de series de reacciones catalizadas por enzimas, ordenadas en una secuencia definida, llamadas VÍAS METABÓLICAS.• Cada una de estas convierte un precursor o

sustrato inicial en un producto final.• Cada uno de los productos intermedios se

denominan metabolitos.

VÍAS METABÓLICAS

• El sustrato inicial por acción de una enzima específica, se convierte en un producto que sirve de sustrato para otra enzima de la reacción siguiente y así sucesivamente, hasta llegar al producto final, en una SECUENCIA LINEAL.

A B C D Ea b c d

VÍAS METABÓLICAS

• Existen vías que incluyen puntos de ramificación:C D E

A BP Q R

B tiene dos vías alternativas.

a

b

b´

p q

c d

VÍAS METABÓLICAS

• Cuando todas las reacciones de la vía son reversibles, el camino puede recorrerse en ambos sentidos:

A B C D E• Cuando una o más reacciones de la vía son

irreversibles, el camino de vuelta debe realizar desvíos:

A B C D ES

VÍAS METABÓLICAS

• Existen transformaciones que ocurren en forma cíclica: la secuencia ordenada de reacciones termina regenerando el compuesto final.

VÍAS METABÓLICAS

• CICLOS INTERCONECTADOS

• REACCIONES EN CASCADA

VÍAS METABÓLICAS

• Vías catabólicas: sustrato inicial es reducido a un compuesto más simple. Reacciones oxidativas, exergónicas, con producción de ATP y NADH. Glucólisis, beta-oxidación.

• Vías anabólicas: formación de nuevos enlaces químicos. Reacciones endergónicas, con hidrólisis de ATP y NADPH como donante de equivalentes de reducción. Gluconeogénesis , síntesis de ácidos grasos.

• Vías anfibólicas: funcionan como anabólicas o catabólicas de acuerdo a las necesidades celulares. Ciclo de Krebs.

ENZIMAS

En los seres vivos se producen reacciones químicas para:

•Transformar los nutrientes de los alimentos para obtener energía.

•Transformar nutrientes simples en moléculas complejas y viceversa.

•Obtener materia prima para la síntesis de nuevas moléculas.

•Degradar componentes celulares una vez cumplida su vida útil.

•Extraer energía desde combustibles por oxidación.

•Polimerizar subunidades para formar macromoléculas.

Las transformaciones bioquímicas en los seres vivos ocurren:

• a gran velocidad

• con gran especificidad

• en condiciones muy moderadas de temperatura, pH, presión, etc.

Un catalizador es una sustancia capaz de acelerar una reacción química sin formar parte de los productos finales ni desgastarse en el proceso.

ENZIMAS

Los catalizadores biológicos son macromoléculas llamadas enzimas

Actividad catalítica: depende de la integridad de su conformación proteica nativa

La mayoría de las enzimas son proteínas, con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, llamadas ribozimas.

PROTEINAS y RNA (Ribozimas): Estructura terciaria y cuaternaria

SITIO DE UNION AL SUSTRATO: Uniones no Covalentes (puente de hidrógeno, hidrofóbicas, electrostáticas)

NECESITAN DE FACTORES: Inorgánicos (metales) y orgánicos (Coenzimas)

ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO: Estéreo-especificidad y especificidad geométrica

SON REGULABLES: La síntesis de la proteína, su actividad y degradación.

CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS

COMPARTIMENTALIZACION: Diferente localización dentro de la célula.

SISTEMAS MULTIENZIMATICOS: Enzimas relacionadas agrupadas formando verdaderos complejos.

ENZIMAS MULTIFUNCIONALES: Una enzima que presenta varios sitios catalíticos distintos en una misma cadena polipeptídica.

DISTRIBUCION DE LAS ENZIMAS

Oxido-reducción

Rotura y formación de enlaces C-C

Reorganizaciones internas

Transferencia de grupos

Reacciones de condensación

Tipos de reacciones catalizadas por enzimas

NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

Nombre común : nombre de uso cotidiano

nombre del sustrato de la reacción + asa

Ejemplo: sacarasa, ureasa, amilasa, etc

Nombres arbitrarios Ej: ptialina salival, pepsina del jugo gástrico, etc.

Nombres según el tipo de reacción catalizada.

Ej: deshidrogenasas, carboxilasas, etc.

Nombre sistemático:

Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB)

Se asigna a cada enzima un nombre descriptivo y un número que permite identificarla inequívocamente

Nombre común: HexoquinasaNombre sistemático: ATP: glucosa fosfotransferasaCódigo de 4 dígitos: 2.7.1.1.Clase 2: transferasaSubclase 7: fosfotransferasaSubsubclase 1: fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptorN° de orden de la enzima en su subclase 1: glucosa como aceptor del grupo fosfato

1- OXIDORREDUCTASAS: DESHIDROGENASAS, OXIDASAS,

OXIGENASAS, REDUCTASAS, PEROXIDASAS

2- TRANSFERASAS: TRANSCARBOXILASAS, TRANSMETILASAS Y

TRANSAMINASAS.

3- HIDROLASAS: ESTERASAS, FOSFATASAS, PEPTIDASAS.

4- LIASAS: DESCARBOXILASAS, HIDRATASAS, DESHIDRATASAS,

DESAMINASAS.

5- ISOMERASAS: EPIMERASAS, MUTASAS.

6- LIGASAS: SINTETASAS, CARBOXILASAS

COFACTORES

Según su modo de interacción con la enzima

COENZIMAS Unión laxa a la enzima Actuaría como co-sustrato Son moléculas orgánicas pequeñas Muchas se encuentran libres y solo se unen a la enzima en

el momento de la catálisis

GRUPO PROSTÉTICO Molécula orgánica no proteica Se une fuertemente a la enzima Solo se separa por desnaturalización

IONES INORGÁNICOSAniones - cationes

COFACTORES

IONES INORGÁNICOS: Fe2+ Mg2+ Mn 2+ Zn2+

HOLOENZIMA = Enzima total

APOENZIMA +ProteínaTermolábilNo dializa

COENZIMANo proteínicaTermoestable

En el caso de las COENZIMAS se forma un complejo:

Oxidorreductasas, transferasas, isomerasas y ligasas requieren coenzimas

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

LOCALIZACIÓN INTRACELULAR DE LAS ENZIMAS

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

SITIO ACTIVO

Región de la molécula enzimática a la que se une el sustrato por uniones no covalentes (puente de hidrógeno, hidrofóbicas, electrostáticas).

Es una agrupación de un número no muy grande de aminoácidos distribuidos espacialmente de manera precisa.

Sitio de unión

Sitio catalítico

Hipótesis de Fischer: estructuras rígidas

Hipótesis de Koshland: estructuras adaptables

Determinación de la actividad enzimática

Se puede determinar, midiendo:

La cantidad de producto formado

O de sustrato consumido

En un tiempo dado

Como una sumatoria de todos los factores requeridos para la reacción

ACTIVIDAD ENZIMATICA

Unidades Internacionales Cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 μmol (10-6 mol) de Sustrato por minuto:

ESustrato Producto

U.I. =mmol de S transformados

minuto

Siempre bajo condiciones definidas de pH y temperatura

ACTIVIDAD ESPECÍFICA

Es una expresión que indica la pureza relativa de una preparación enzimática.

Relaciona Actividad Enzimática, no con el volumen de muestra, sino con el total de proteínas existentes en la misma.

Se define como:

UNIDADES DE ENZIMA POR MG DE PROTEÍNAS PRESENTES EN LA MUESTRA

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

Las barreras de activación son importantes para la estabilidad de las biomoléculas.

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 barrera energética entre el S y el P

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DE ENZIMACantidad saturante de sustrato, pH y T°C constantes

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

CONCENTRACIÓN DE ENZIMA

Velocidad de reaccióndirectamente proporcional a la concentración de enzima

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

TEMPERATURA

Temperatura óptima

[E], [S], pH: constantes

pH óptimo7

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

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

EFECTO DEL pH [E], T°C, [S]: constantes

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN

CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO

[E], pH, T°C: constantes

Curva hiperbólicaReacción de 1° orden

Reacción de primer orden: existe proporcionalidad entre velocidad y [S].

Orden de la reacción

Cuando [S] es menor a Km, la velocidad de reacción es proporcional a la [S]

por lo tanto la velocidad de reacción es de primer orden con respecto al sustrato.

Cuando [S] es mayor a Km, la velocidad de reacción es constante e igual a Vmax

por lo tanto la velocidad de reacción es de orden cero con respecto a la concentración del sustrato.

ECUACIÓN DE MICHAELIS- MENTENCinética del estado estacionario

E + PESE + Sk1

k -1

k2

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

Reacción de orden cero

Reacción de 1° orden

La ecuación de Michaelis- Menten puede ser transformada algebraicamente en ecuaciones utilizables para la determinación práctica del valor de Km.

Es decir, transformamos matemáticamente una curva hiperbólica en una recta.

Al invertir la ecuación de Michaelis- Menten se obtiene la ecuación de una recta llamada:

LINEWEAVER-BURK

ECUACIÓN DE LINEWEAVER-BURK

Ordenada al origen = 1/Vmáx.

Intersección c/eje x = - 1/Km

El valor de km guarda relación inversa con la afinidad de la E por el S

A MAYOR AFINIDAD, MENOR VALOR DE Km

• Los valores de Km y Vmax de una enzima se determinan experimentalmente.

• Midiendo las velocidades iniciales de reacción a diferentes [S].

• Esta representación de dobles recíprocas tiene la ventaja de permitir una

determinación más precisa de Vmax, valor que solo puede obtenerse a partir de la

fórmula de Vo frente a [S].

INHIBIDORES ENZIMÁTICOS

• Agentes químicos que inhiben la acción catalítica de enzimas.

• Algunos ejercen su acción uniéndose a sitios o grupos funcionales esenciales de la E.

• Estas sustancias son de gran utilidad para estudiar algunos aspectos de la acción enzimática.

• Por ejemplo, que grupos funcionales son los que participan en la catálisis o son responsables de asegurar los requerimientos estructurales para la unión E-S.

• La inhibición puede ser reversible o irreversible.

INHIBIDORES IRREVERSIBLES

• Sustancias que producen un cambio permanente en la molécula de enzima.

• Producen un deterioro de su capacidad catalítica.

• Ej. Insecticidas, «inhibidores suicidas» (semejantes estructuralmente al S y ocupan el sitio activo, caso del allopurinol- xantina oxidasa como tratamiento de la Gota)

INHIBICIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

INHIBIDORES REVERSIBLES COMPETITIVOS

Similitud Estructural del I con el S

Ambos compiten por el sitio activo de E

Semejanza estructural

INHIBIDORES REVERSIBLES NO COMPETITIVOS

• La unión S-E no esta afectada, porque el I se une a la E libre o al [ES].

• Una vez formado el [ESI] la enzima se inactiva.

• El valor de Km no se modifica, pues el S reacciona con la E igual que en ausencia del I.

• Ejemplos: reactivos que se unen a grupos –SH de cisteína, indispensables para algunas enzimas, iones metálicos (Cu2+, Hg2+ y Ag2+).

• Otros I se unen a los metales componentes de la E, por ejemplo: cianuro se une fuertemente al Fe de los citocromos, catalasas y así bloquean su actividad.

INHIBIDORES REVERSIBLES NO COMPETITIVOS

Se unen a la E en un sitio diferente al sitio activoEste tipo de inhibición no es revertida por aumento de la [S]

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

La AE en las células se ajustan a las necesidades fisiológicas, cambiantes

permanentemente.

A [S] bajas, la AE es proporcional a los niveles de S.

En condiciones fisiológicas, la [S] se encuentra por debajo o próxima al Km, así los niveles de S, determinarán la mayor o

menor AE.

A mayor [S] mayor AE

La E que cataliza la primera etapa de una vía metabólica suele ser reguladora.

• Los seres vivos han generado mecanismos para regular las rutas bioquímicas.

• La regulación es esencial por las siguientes razones:

Mantenimiento de un estado ordenado no hay desperdicio de

recursos.

Conservación de la energía utilización de la E suficiente en las células, para

consumir los nutrientes según sus necesidades energéticas.

Respuesta a variaciones ambientales son los ajustes rápidos que deben

realizar las células (pH, [S], T°C), por su capacidad de aumentar o disminuir la

velocidad de las reacciones específicas.

ENZIMAS ALOSTÉRICAS

Moduladores, modificadores o efectores alostéricos • Positivos o negativos para la AE. • Efector Homotrópico: el propio sustrato actúa como efector positivo.• Efector Heterotrópico: efector diferente del sustrato.

Regulación por retroinhibición o Feed- back negativo

• Tanto la inhibición como la activación son reversibles.

• El agente modificador actúa uniéndose a la E en un sitio diferente al sitio catalítico

Estas Enzimas Alostéricas, además del sitio catalítico, presentan otros sitios reguladores donde se unirán moléculas que actúan sobre su AE.

Modifican la conformación de la E

Los moduladores alostéricos (-) no deben ser confundidos con los Inhibidores.

Forma T

Forma R

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICAENZIMAS ALOSTÉRICAS

Modificación enzimática inmediata Curvas sigmoideas: las enzimas con este tipo de cinética

pueden regular la [S]

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICAMODIFICACIÓN COVALENTE

(modificación enzimática inmediata o minutos )

Adición o remoción de grupos fosfato sobre residuos de Serina, Treonina o Tirosina específicos de

la enzima.

Quinasas de proteínas familia de enzimas que catalizan reacciones de fosforilación utilizan como dador del

grupo fosfato al ATP.

Fosfatasas de proteínas separan los grupos fosfatos de las enzimas

fosforiladas

QUINASA DE PROTEÍNAS

ATP ADP

ENZIMA

OH

ENZIMA

OPO3=

HPO4= H2O

FOSFATASA DE PROTEÍNAS

Glucógeno fosforilasa