Unitat 1: El metabolisme cel·lular i els enzims

Unitat 2: El catabolisme

Unitat 3: L‘anabolisme autòtrof

Tema 4: L‘anabolisme heteròtrof

1

22

1. El metabolisme

Metabolisme: Conjunt de reaccions bioquímiques que tenen com a objectiu el intercanvi de matèria i energia entre l’ésser viu i el seu entorn.

Es produeixen per:

• Obtenir energia química (ATP)

• Transformar les substàncies químiques externes en aprofitables o no tòxiques

• Construir matèria orgànica pròpia

• Trencar les molècules per aprofitar l’energia

33

1. Metabolisme i nutrició

Grànuls de glucogen Gotes lipídiques

Alimentació: acte voluntari conscient que es duu a terme per aconseguir aliments (conjunt de substàncies que s’obtenen de l’exterior).

Nutrició: Processos que tenen lloc per obtenir, transportar i utilitzar els nutrients (inorgànics –aigua i sals- i orgànics –glúcids, lípids, proteïnes i vitamines-), així com l’eliminació de les substàncies de rebuig. Alguns nutrients tenen funcions energètiques, altres estructurals i altres funcionals.

44

1. Fases del metabolisme

Consta de dues fases ben diferenciades:• Anabolisme: construcció de matèria orgànica. Com necessita

energia aquesta pot provenir o de l’exterior (fotosíntesi) o de la degradació de matèria organica ja formada (quimiosíntesi).

• Catabolisme: degradació de matèria orgànica:* Fase digestiva: Macromolècules a monòmers. Energia calòrica* Fase citoplasmàtica: Monòmers a Acetil CoA. 10 % ATP* Fase mitocondrial: Oxidació completa 90 % ATP

55

1. Tipus de metabolisme cel·lularHi ha 4 tipus:

Font de carboni

CO2 Matèria orgànica

Fo

nt

d’e

nerg

ia

Llum

Reaccionsquímiques

66

1. Tipus de metabolisme cel·lular1i 2 Traspàs d’energia i matèria en el metabolisme

Grànuls de midó en patata

Els millors sintetitzadors químics són els vegetals que a partir de llum, CO2, NO3

- i altres minerals poden produir:

* Glúcids* Lípids* Tots els aminoàcids

La resta d’organismes necessiten d’aquests compostos per: - extreure l’energia necessària - són essencials i no els poden fabricar (7 aminoàcids essencials i vitamines)

La matèria i energia va passant d’un nivell tròfic a un altre fins els descomponedors que tanquen el cicle

7

2. Els biocatalitzadors

Són unes substàncies que augmenten la velocitat (entre 106 i 1012 vegades) d’una reacció química que té lloc en un ésser viu, que, un cop finalitzada, queda intacte.

Tots:• Disminueixen l’energia d’activació• Disminueixen el temps de reacció• Tenen especificitat d’acció• Molt més eficaços que els químics• Són orgànics

8

Des d’un punt de vista energètic es poden dividir en:

* Endergòniques: necessiten d’una prèvia hidròlisi d’ATP. Són de síntesi o anabòliques.

* Exergòniques: Una vegada finalitzades desprenen energia (ATP). Són catabòliques o de degradació i es produeixen de forma espontània.L’ATP pot viatjar lliurement pel citoplasma.

2. Tipus de reaccions químiques cel·lulars

9

* Endergòniques: necessiten d’una prèvia hidròlisi d’ATP. Són de síntesi o anabòliques.

2. Tipus de reaccions químiques cel·lulars

10

3. Els enzims

Són proteïnes d’estructura globular que intervenen en les reaccions químiques del metabolisme cel·lular.

Totes les proteïnes tenen el seu origen en el material genètic (cada organisme fabrica els seus propis enzims):

•Bacteris: tots els enzims d’una via metabòlica estan en un mateix gen.

•Eucariotes: Cada enzim és sintetitzat per un gen.Lisozima amb el seu substracte

11

3. Els enzims

Les molècules orgàniques, amb una estructura interna de carboni, són molt estables i no reaccionen entre elles. Per això necessitem l’activitat enzimàtica

Classificació segons el lloc d’acció:

* Enzims de membrana: D’origen bacterià, típics de mesosomes o membranes internes: - Enzims mitocondrials (crestes) - Enzims cloroplasmàtics tilacoidals

· ATP sintetasa· Citocroms (transportadors e-)· Deshidrogenases del NADH2, etc.

* Enzims globulars solubles: actuen en medis fluids (citoplasma, matriu, estroma o en el medi extracel·lular)

12

3. Els enzims

ATP: hexosa fosfotransferasa

Nom sistemàtic:

Donador Acceptor

Grup transferit

EC 2.7.1.1

Número sistemàtic

EnzymeComission

Grup Subgrup

Sub-subgrup

Enzim

Nom comú: Hexokinasa

13

3. L’activitat enzimàtica3. 1. Mecanisme d’acció

L’especificitat fa que l’enzim E s’uneixi al substrat S com CLAU-PANY.

L’unió es realitza en el centre actiu (part de l’estructura terciària proteica) formant-se el complex enzim-substrat.

Com l’enzim s’allibera intacte, únicament fa falta una petita quantitat.

Hi ha diferències en quan l’especificitat, que pot ser molt alta (un enzim únicament actua sobre un substrat), o baixa (actua sobre un conjunt de substrats semblants)

14

3. L’activitat enzimàtica3.5. Factors que influeixen en l’activitat

enzimàtics: concentració d’enzim

v

[E]

. . . .. . . . . . .

Els enzims segueixen una cinètica lineal

15

3. L’activitat enzimàtica3.5. Factors que influeixen en l’activitat

enzimàtics

S

E

E-S

E-PCicle catalíticd’un enzim

Una cinètica lineal implicaun procés regeneratiu,

cíclic

P

16

3. L’activitat enzimàtica3.5. Factors que influeixen en l’activitat

enzimàtics: Concentració de substrat

Km

Vmax

Representación directa

s

0 20 40 60 80 100

v

0

20

40

60

80

100

17

3. L’activitat enzimàtica3.5. Factors que influeixen en l’activitat

enzimàtics: pH

v

pH

pH òptim: punt isoelèctric

pH de desnaturalització

Això condiciona el lloc on es produeixen les reaccions

18

3. L’activitat enzimàtica3.5. Factors que influeixen en l’activitat

enzimàtics: temperatura

v

Temperatura

Temperatura òptima

Tª de desnaturalitzacióTª d’inactivitat per immobilitatmolecular

A determinades temperatures, els enllaços que estabilitzen l’estructura terciària es trenquen i canvia la conformació espacial que permet realitzar la funció.

19

3. L’activitat enzimàtica3.5. La inhibició dels enzims

Inhibidor: Efector que fa que disminueixi l’actividad enzimàtica, a través d’interaccions amb el centre actiu o altres centres específics (alostèrics).

Aquesta definició exclou tots aquells agents que inactivan a l’enzim a través de desnaturalizació de la molècula enzimàtica

D’aquesta forma, hi haurà dos tipus d’inhibidors:

I. Isostèrics: fan la seva acció sobre el centre actiuII. Al·lostèrics: fan la seva acció sobre una altra part de la molècula, causant un canvi conformacional amb repercusió negativa en l’activitat enzimàtica.

20

4. Els cofactors i els coenzimsa). Cofactor inorgànic

Els cofactors enzimàtics solen ser molècules complexes, que el nostre organisme no pot sintetitzar, en general. Poden ser ions o molècules orgàniques

Per aquesta raó molts cofactors enzimàtics cal que siguin, tot o en part, ingerits amb la dieta; molts d’ellos són, en conseqüència, vitamines.

(Ni tots els cofactors són vitamínics ni totes les vitamines són cofactors enzimàtics)

21

4. Els cofactors i els coenzimsb). Coenzims

O

O

HH

OH

H

OH

CH2

H

OP

O

O-

OP

O

O-

OCH2 N

N

N

N

NH2

OH OH

N

CONH2

+

NAD

Coenzims d’oxidoreducció: transporten àtoms d’hidrogen o electrons. Destaquen: NAD, NADP, FAD i els citocroms

O

O

HH

O

H

OH

CH2

H

OP

O

O-

OP

O

O-

OCH2 N

N

N

N

NH2

OH OH

N

CONH2

P O-O

O-

+

NADP+

22

4. Els cofactors i els coenzims

FMNFlavina O

HH

OH

H

OH

CH2

H

OP

O

O-

OP

O

O-

O N

N

N

N

NH2

CH2

C

C

C

CH2

OHH

OHH

OHH

N

NNH

N

H3C

H3C

O

O

23

4. Els cofactors i els coenzims

Citocromo C

Aquesta molècula està associada a la cadena respiratòria en els mitocondris

24

4. Els cofactors i els coenzims

Coenzim A

O

HH

OH

H

OH

CH2

H

N

N

N

N

NH2

OP

O

O-

OP

O

O-

OH3C CH3

HO H

CN

CN

HS

O

H

O

H

Coenzims de transferència: transporten grups funcionals d’una molècula a l’altra. El Coenzim A transporta grups acil: -CH3-COOH

25

6. Tipus d’enzims1. Oxidoreductases

Són les que duen a terme l’oxidació o reducció de les substàncies gràcies a la transferència d’electrons o d’àtoms d’hidrogen.

Tipus diferents:

1. Deshidrogenases

2. Oxidases

3. Peroxidases

4. Oxigenases

5. Hidroxilases

6. Reductases

26

6. Tipus d’enzims1. Oxidoreductases

Ared + Box Aox + Bred

A : és el reductor o donador electrònic; en el cursde la reacció s’oxida (perd electrons)

B : és l’oxidant o acceptor electrònic; en el cursde la reacció es redueix (guanya electrons)

27

6. Tipus d’enzims2. Transferases

Catalitzen reaccions de transferència de grup:

A-X + B A + B-X

Donador: Acceptor - Grup transferit - transferasa

ATP: D-Hexosa Fosfotransferasa EC 2.7.1.1

Nom comú: hexokinasa 2.1.-.- Grupos monocarbonados2.2.-.- Grupos aldehido o ceto2.3.-.- Aciltransferasas2.4.-.- Glicosiltransferasas2.5.-.- Alquil- o Ariltransferasas2.6.-.- Grupos nitrogenados2.7.-.- Grupos fosfato2.8.-.- Grupos sulfato

Grups de transferència

28

6. Tipus d’enzims3. Hidrolases

Catalitzen reaccions d’hidròlisi

A-B + H2O A-OH + H-B

No es solen utilitzar noms sistemàtics en leshidrolases. Moltes d’elles conserven el nomprimitiu: Tripsina, Pepsina, Papaina, etc.

29

6. Tipus d’enzims4. Liases

Catalitzen reaccions reversibles d’adicció d’un grup aun doble enllaç:

A=B + X AXB

COO-

CH

CH

COO-

H2O COO-

CH

CH2

COO-

HO

Fumarato(trans-)

L-Malato

- Descarboxilases- Aldolases- Anhidrasa carbónica- Adenilato ciclasa

30

6. Tipus d’enzims5. Isomerases

Catalitzen reaccions d’isomerització

Algunes reaccions isomeràsiques:

- Racemases- Oxidorreductases intramoleculars- Mutases o transferases intramoleculares

31

6. Tipus d’enzims6. Ligases

Catalitzen la unió de dos grups químics a expenses de l’hidròlisi d’un enlllaçe d’alta energia.

A + B + ATP A-B + ADP + Pi

O bé

C + D + ATP C-D + AMP + PPi

- Aminoacil-tRNA sintetases- Glutamina sintetasa- Carboxilases