Bioquimica - Apostilas - Educação Física Parte1, Notas de estudo de Educação Física

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Bioquímica Tema 1: Aminoácidos y proteínas ................................................................................................................ 3 Propiedades de los aminoácidos ...................................................................................................... 5 Estereoisomería........................................................................................................................... 5 Propiedades ácido–base de los aminoácidos ............................................................................... 5 Enlace peptídico.......................................................................................................................... 6 Nomenclatura de los péptidos ..................................................................................................... 7 Tipos de péptidos ........................................................................................................................ 7 Proteínas.......................................................................................................................................... 7 Propiedades de las proteínas ....................................................................................................... 9 Estructura de las proteínas ........................................................................................................ 10 Tema 2: Enzimas ........................................................................................................................................ 15 Nomenclatura y clasificación de los enzimas ................................................................................ 15 Poder catalítico de los enzimas...................................................................................................... 15 Especificidad de acción............................................................................................................. 15 Factores que afectan a los enzimas ........................................................................................... 16 Actividad catalítica de los enzimas ........................................................................................... 16 Tema 3: Cinética enzimática ...................................................................................................................... 19 Reacciones bisustrato .................................................................................................................... 20 Mecanismo secuencial .............................................................................................................. 20 Mecanismo Ping – Pong ........................................................................................................... 20 Inhibición ...................................................................................................................................... 20 Inhibición Irreversible............................................................................................................... 20 Inhibición reversible ................................................................................................................. 21 Regulación de la actividad enzimática ......................................................................................... 21 Regulación no covalente ........................................................................................................... 22 Regulación covalente ................................................................................................................ 23 Tema 4: Metabolismo energético ............................................................................................................... 26 Reacciones acopladas................................................................................................................ 26 ATP (Adenosin trifosfato)............................................................................................................ 26 Tema 5: Cadena respiratoria....................................................................................................................... 28 Componentes de la cadena ............................................................................................................ 29 Complejo I ................................................................................................................................ 30 Complejo II ............................................................................................................................... 30 Ubiquinona ............................................................................................................................... 30 Citocromos................................................................................................................................ 31 Complejo III.............................................................................................................................. 31 Citocromo c .............................................................................................................................. 31 Complejo IV ............................................................................................................................. 32 Fosforilación oxidativa o fosforilación de la cadena respiratoria .................................................. 33 Sitios ............................................................................................................................................. 34 Teoría quimiosmótica.................................................................................................................... 35 Características del ATP................................................................................................................. 36 Razones por las que se sabe que la cadena respiratoria funciona así ............................................. 37 Funcionamiento de la cadena respiratoria ..................................................................................... 37 Fotofosforilación o fosforilación fotosintética .............................................................................. 38 Tema 6: Ciclo de Krebs.............................................................................................................................. 39 Inicio del ciclo de Krebs................................................................................................................ 39 Coenzima A o CoA................................................................................................................... 39 Piruvato deshidrogenasa (PyrDH)............................................................................................. 40 Funcionamiento y reacciones del ciclo de Krebs........................................................................... 41 Rendimiento energético del ciclo de Krebs............................................................................... 42 Vías anapleróticas ..................................................................................................................... 42 Tema 7: Catabolismo de los glúcidos ......................................................................................................... 44 Digestión de los glúcidos .............................................................................................................. 44 Glucólisis ...................................................................................................................................... 45 Características generales de la glucólisis .................................................................................. 45 Funcionamiento de la glucólisis................................................................................................ 46 Vía de las pentosas fosfato ............................................................................................................ 48 Tema 8: Gluconeogénesis (GNG) .............................................................................................................. 49 Sustratos que permiten la gluconeogénesis ................................................................................... 51 Tema 9: Metabolismo del Glucógeno......................................................................................................... 53 Glucogenólisis............................................................................................................................... 54 Glucogénesis ................................................................................................................................. 54 Mecanismos de regulación ............................................................................................................ 55 Tema 10: Digestión de lípidos.................................................................................................................... 56 Lipoproteínas................................................................................................................................. 56 Tema 11: Catabolismo de los lípidos.......................................................................................................... 57 Etapas del catabolismo de los lípidos ............................................................................................ 59 Tema 1: Aminoácidos y proteínas 1 Bioquímica β – Oxidación................................................................................................................................ 60 Rendimiento energético ............................................................................................................ 60 Insaturaciones ........................................................................................................................... 61 Cuerpos cetónicos ..................................................................................................................... 61 Tema 12: Síntesis de lípidos: Lipogénesis.................................................................................................. 62 Sustratos que inician la lipogénesis ............................................................................................... 63 Tema 13: Digestión de proteínas ................................................................................................................ 65 Metabolismo de las proteínas ........................................................................................................ 65 Esencialidad.............................................................................................................................. 65 Semiesencialidad ...................................................................................................................... 65 La digestión de las proteínas ......................................................................................................... 66 Recambio proteico .................................................................................................................... 66 La degradación intracelular de las proteínas ............................................................................. 67 Tema 14: Metabolismo del nitrógeno......................................................................................................... 68 Fijación del nitrógeno amínico.................................................................................................. 68 Ciclo de la urea.............................................................................................................................. 70 Tema 15: Metabolsimo de los aminoácidos................................................................................................ 71 Utilización de los aminoácidos...................................................................................................... 71 Síntesis del glutatión ................................................................................................................. 71 Porfirina .................................................................................................................................... 71 Síntesis de Purinas y Pirimidinas .............................................................................................. 71 Tema 16: Ácidos nucleicos......................................................................................................................... 73 ADN.............................................................................................................................................. 73 ARN .............................................................................................................................................. 73 Tema 17: Síntesis de ácidos nucleicos........................................................................................................ 74 Síntesis del ADN........................................................................................................................... 74 Replicación ............................................................................................................................... 74 Reparación del ADN................................................................................................................. 74 Síntesis del ARN ........................................................................................................................... 75 Transcripción ............................................................................................................................ 75 ARN – Polimerasa .................................................................................................................... 75 Promotores ................................................................................................................................ 76 Término de la transcripción ...................................................................................................... 76 Tema 18: Síntesis y degradación de las proteínas....................................................................................... 77 Código genético............................................................................................................................. 77 Mutaciones .................................................................................................................................... 77 Traducción..................................................................................................................................... 78 Páginas Web de interés: http://esg.www.mit.edu:8001/esgbio/drem/problems.html http://esg.www.mit.edu:8001/esgbio/drem/solutions.html http://www.bib.ub.es/bub/3brecedu.htm http://www.gredos.cub.nan.es http://www.pdb.bnl.gov infovia@d3.bib.bib.ub.es Tema 1: Aminoácidos y proteínas 2 Bioquímica Propiedades de los aminoácidos Estereoisomería - Estereoisomería, es decir presentan isómeros que difieren en su orientación espacial. - Todos los aminoácidos tienen un carbono asimétrico o quiral, con excepción de la glicina, y por lo tanto pueden ocupar diversas posiciones en el espacio, formando imágenes especulares o quirales, que proviene del griego chiros, que quiere decir mano. - Se trata de isómeros ópticamente activos, que hacen girar el plano de la luz polarizada: - A la derecha dextrorrotatorio (+) - A la izquierda Levorrotatorio (-) - D y L no tienen nada que ver con la polarización de la luz. - Los estereosiómeros tienen idénticas propiedades físicas y químicas, con excepción claro está de la polarización de la luz. - Pero los estereoisómeros presentan además diferentes propiedades bioquímicas: - Todos los aminoácidos que forman las proteínas están en su forma L, con excepción claro de la glicina. - Los D-aminoácidos los encontramos en los antibióticos o en algunas paredes bacterianas, o incluso en algunas plantas. - Algunos aminoácidos presentan más estereoisómeros debido a que poseen más carbonos quirales, y por lo tanto poseen 2n estereoisómeros. Propiedades ácido–base de los aminoácidos - En los aminoácidos hay a pH ácido 2 grupos ionizables: - COOH COO− - NH2 NH3+ - k se conoce como la constante de disociación, y el pk es por lo tanto el punto donde el ácido se ha disociado al 50% - Todos los grupos ionizables tienen un pk de manera que en ese pH se dan cantidades equimolares de ambas formas. Tema 1: Aminoácidos y proteínas 5 - Todos los aminoácidos presentan en solución acuosa propiedades tanto ácido como base, Bioquímica recibiendo por lo tanto el nombre de anfóteros o anfolitos. - El aminoácido puede presentar también una forma dipolar o zwitterionica que también recibe el nombre de ion híbrido. - A pH fisiológico de 7.4 la forma predominante es la zwitterionica. - Se llama punto isoeléctrico o pI al punto donde el aminoácido presenta carga neta 0. - Por lo tanto el pI de la glicina sería: pI = (2,34+9,6)/2 = 5,97 - La respuesta por parte de una aminoácido al pH se observa en las llamadas curvas de titulación, donde se representa la variación en función de la cantidad de equivalentes OH- añadidos. - Los aminoácidos poseen también capacidad tamponadora, de manera que en +/- 1 unidad del pk se nivela muy rápidamente el cambio de pH. - El aminoácido presenta su mínima capacidad tamponadora en su pI. - En caso de que hubiera más de un grupo carboxilo, el primero será el del aminoácido. Enlace peptídico - Se trata de un enlace tipo amida covalente - Se trata de un enlace que se establece entre el extremo α - carboxilo de un aminoácido y el extremo α - amida del siguiente. - Tiene lugar conjuntamente con la formación de una molécula de agua. - ϕ (Psi), entre el Cα1 y el C del carboxilo - φ (Phi), entre el N de la amida y el Cα2. - Dependiendo del número de aminoácidos que intervengan en la formación, la molécula resultante recibirá un nombre formado por un prefijo griego (di-, tri-, tetra-,...) y péptido. - Se conoce como oligopéptido a los péptidos que tienen entre 2 y 20 aminoácidos. - Un polipéptido es cuando ya tiene más de 20 aminoácidos. - Según se van uniendo los distintos aminoácidos, se pasa a denominar a estos como restos aminoacídicos o residuos de la cadena. - Los péptidos tienen sentido direccional, ya que el α amino se sitúa a la izquierda y el α carboxilo a la derecha. CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO: - Presenta características de doble enlace, ya que se trata de un híbrido de resonancia. - Los electrones están deslocalizados entre C, O y N: - 40 % enlace doble - 60 % enlace sencillo. - Los átomos situados en el entorno del enlace peptídico no pueden girar libremente, ya que son coplanares. - C – N es un enlace rígido. - Los Cα están situados en posición trans, con excepción del prolina que es cis. - Puesto que el plano de la amida no puede girar libremente, los péptidos sólo pueden girar alrededor de los Cα, lo que es básico para la estructura de la proteína. - Los ángulos psi y phi limitan de muchas maneras tanto la conformación, paso de una forma a otra sin que ello comporte la rotura de enlaces, y la configuración, paso de una forma a otra comportando rotura de enlaces. Tema 1: Aminoácidos y proteínas 6 Bioquímica - Las formas de los péptidos vienen determinadas tanto por la longitud como por las cargas de cadenas laterales de los distintos restos aminoacídicos que lo componen. - Todo esto provoca que haya pocas posiciones posibles, que fueron estudiadas por Ramachandran, de manera que los posibles ángulos psi y phi se conocen como ángulos de Ramachandran. Nomenclatura de los péptidos - Los péptidos reciben el nombre de manera que se va del amino terminal al carboxilo terminal. - Los nombre de los distintos residuos se van acabando en -il, con excepción del último, donde se nombra totalmente el resto. - Ejemplo: - Gly – Ala – Ser Glicil – alanil – serina. Tipos de péptidos - Proteicos - No proteicos - Se trata de péptidos de diferente estructura con respecto a los proteicos, tienen bastante importancia, son muy variados y poseen características especiales. - El glutatión es el péptido más abundante: - Se origina de manera enzimática. - Puede sufrir oxidaciones y reducciones reversibles. - Protege a los grupos mercapto –SH e impide la oxidación del hierro en la hemoglobina. - Sirve para transportar aminoácidos a través de la membrana. - Se encarga de la detoxificación de xenobióticos, es decir, protege de las sustancias ajenas al organismo. - Carnosina: - Está presente en el músculo esquelético - El enlace en lugar de en α es en β. - Tirocidina: - Se trata de antibióticos - Es cíclico y está compuesto por D – aminoácidos. - Oxitocina: - Promueve la contracción muscular para la salida del feto. - Provoca además la salida de la leche. - Vasopresina: - Cuando se constriñen los vasos fuerza un aumento de la presión sanguínea. - Factor liberador tirotrópico: - Está en la hormona tiroidea. - Estos péptidos, a diferencia de los proteicos no podrán ser atacados por proteasas, porque estas son específicas de para L – aminoácidos, y para enlaces peptídicos α. - Según se va alargando la cadena más se complican las propiedades ácido – base: - Tan solo son susceptibles de ionizarse los N – terminales, los C – terminales y los grupos ionizables de las cadenas laterales de los distintos residuos. - El pk1 según se va alargando el péptido aumenta su valor, de manera que tiene una menor tendencia a perder el H+, mientras que con el pk2 sucede todo lo contrario. Proteínas - La palabra tiene su origen en el término griego proteios, que quiere decir lo principal o lo más importante. Tema 1: Aminoácidos y proteínas 7 - Se trata de las biomoléculas más importantes, que fueron descubiertas por Berzelier en 1838 y posteriormente descritas por Mulder. Bioquímica - Se conserva la configuración nativa. - Agentes químicos desnaturalizantes. - TCA (ácido tricloroacético) - PCA (ácido perclórico) - Se pierde la configuración nativa. Estructura de las proteínas - Tienen un orden jerárquico: 1aria – 2 aria – 3 aria – 4aria - Cualquier estructura superior a la primaria viene determinada por esta. 1. ESTRUCTURA PRIMARIA - Se trata de la secuencia lineal de aminoácidos. - Determina tanto la conformación como la configuración de las proteínas. - Para descubrir la secuencia de la estructura primaria podemos usar dos métodos: - Directo: - Separar los residuos de la proteína mediante hidrólisis y analizar los resultados. - Indirecto: - Si conocemos la secuencia de ADN o el ARN de la proteína, podemos insertarlo en un plásmido que se insertará a su vez en una bacteria, que irá produciendo proteínas, las cuales podremos analizar. - Conocer los aminoácidos de la secuencia primaria permite comparar proteínas normales con proteínas mutantes, al igual que podemos comparar proteínas homólogas entre distintas especies y establecer después filogenias entre estas especies. - Además mediante el conocimiento de secuencia primaria podemos deducir las estructuras más avanzadas. - En 1953, Sanger realizó la primera secuenciación, de la insulina, una proteína que tiene 5100 aminoácidos. - Se conocen alrededor de 20.000 proteínas. - La secuencia primaria es constante y específica dentro de cada especie en concreto. - Una misma proteína de 2 especies diferentes presentará algunos residuos variables, mientras que muchos otros serán totalmente invariables. - El número de residuos variables es proporcional a la distancia filogenética. - Mediante la comparación de las secuencias primarias se puede saber además si durante la evolución ha habido duplicaciones, delecciones u otros procesos similares. - Tomando como ejemplo las proteínas encargadas de transportar oxigeno: - Mioglobina: se compone sólo de una cadena, y es la encargada de transportar oxigeno en el músculo. - Hemoglobina: se suele componer de 4 cadenas diferentes 2 a 2. - La hemoglobina de la lamprea sólo tiene una cadena. - En ocasiones puede haber a lo largo de la evolución mutaciones que después serán hereditarias que cambian la funcionalidad de la proteína al cambiar un aminoácido polar por otro apolar, como es el caso de la anemia falciforme, que como contrapartida protege de la malaria. Tema 1: Aminoácidos y proteínas 10 Bioquímica 2. ESTRUCTURA SECUNDARIA - Es la ordenación regular y periódica de las cadenas polipeptídicas a lo largo de un eje. - Se estudia mediante la difracción de rayos X en el llamado Roentgenograma. - Astbury, en 1930, descubrió que ciertas proteínas fibrosas presentaban una periodicidad de 0,50 a 0,55 nm, mientras que en otras la periodicidad era de 0,65 a 0,70 nm; esto lo interpretó de manera que supuso que se trataba de proteínas que estaban enrolladas de manera diferente. - Paulinger y Corey, entre 1940 1950, supusieron, tras estudiar todos los posibles impedimentos estéricos, que el sistema de ordenación para las α - queratinas era la helicoidal hélice α. Duras: cuernos y uñas α queratinas Blandas: pelo, piel,... β queratinas Seda telarañas, seda capullos, garras, picos y escamas Pr ot eí na s fib ro sa s Colágeno,... - Hélice α - Es la cadena polipeptídica enrollada alrededor de un eje imaginario. - Todas las cadenas laterales están orientadas hacia el exterior. - El grupo carbonilo de un enlace peptídico establece un puente de hidrógeno con el 4 residuo por delante de él, el 3 enlace peptídico, a nivel del grupo amida. - Todos los grupos carbonilo están formando puentes de hidrógeno, llamados intracatenarios. - Queda finalmente una estructura compacta , ya que aunque los puentes de hidrógeno son estructuras débiles, son aditivos y cooperativos. - Los ángulos dentro de la hélice α son: - ϕ: -45º / - 50º - φ: -57º / - 60º - Cada vuelta de la hélice comprende 3,6 aminoácidos, que abarcan 5,4 Å. La distancia entre 2 Cα consecutivos es de 1,5 Å, y la anchura de la cadena es de 5 Å. - La hélice α puede ser o bien levógira o bien dextrógira y puede estar formada por D o L aminoácidos. - Las hélices α naturales son todas dextrógiras y formadas por aminoácidos L. - No todos los aminoácidos pueden formar hélices α, ya que hay algunos que las desestabilizan y hay otros que la rompen. - Paulinger y Corey establecieron la teoría de que las α queratinas formaban hélices dextrógiras, y que la subunidad básica es la protofibrilla, que está unida por puentes disulfuro, de manera que tres protofibrillas juntas forman una superhélice levógira. - Las superhélices son levógiras y están estabilizadas por las fuerzas de Van der Waals. - Para unir las distintas protofibrillas, las fuerzas que intervienen son las de los puentes disulfuro intercatenarios. - Las α queratinas son insolubles, ya que poseen grupos mercapto –SH, y sólo algunos organismos como las polillas pueden digerirlos, ya que poseen enzimas específicos. Tema 1: Aminoácidos y proteínas 11 Bioquímica Fuerzas intermoleculares Puentes de hidrógeno Interacciones que se producen entre grupos OH y otros grupos como NH. Fuerzas de Van der Waals Son interacciones intermoleculares entre átomos no cargados. Se trata pues de fuerzas electrostáticas transitorias, que pueden ser tanto atractivas como repulsivas, y sólo afectan a distancias de entre 3 y 4 Å. Fuerzas hidrofóbicas Tendencia de las cadenas no polares a replegarse hacia el interior de la proteína. Fuerzas electrostáticas Interacciones entre cargas: F= (Q x Q´) / d2 Puentes de disulfuro - Conformación β - La cadena polipeptídica se extiende a lo largo de un eje, con las amidas y los carbonilos situados de manera casi perpendicular al eje de la cadena polipeptídica y en posición trans. - Se formarán pues puentes de hidrógeno intercatenarios entre las distintas cadenas. - Todos los enlaces peptídicos intervienen en la formación de estos enlaces. - La estructura resultante recibe el nombre de lámina β o lámina plegada, de la que existen 2 tipos distintos: - Antiparalelo: - Las cadenas polipeptídicas van en dirección contraria. - φ: -129º - ϕ: +125º - Los Cα se sitúan en las aristas, habiendo 3,5Å de separación entre Cα contiguos. - En los planos de la lámina β están los puentes de H y los enlaces peptídicos. - Las cadenas laterales se sitúan hacia delante y hacia atrás de la lámina. - Paralelo: - Está más plegada de manera que sólo hay 3,25 Å de separación entre los carbonos contiguos. - φ: -119º - ϕ: +113º - La cadena antiparalela es más estable, porque sus puentes de hidrógeno están situados de manera más perpendicular al eje de la lámina. - En la lámina β no se producen puentes disulfuro transversales. - Puede ocurrir que la lámina β se pliegue dando como resultado el giro revertido o giro en horquilla o giro β. - Existen estructuras superiores que no tienen sólo carácter estructural, sino también funcional; se las conoce como estructuras supersecundarias. - Se tiende siempre a esconder las cadenas laterales hidrofóbicas. - Estructura del colágeno - Es una proteína fibrosa que encontramos en el tejido conjuntivo. - Forma aproximadamente el 75 % del total de proteínas del organismo. - Aunque suele formar fibrillas, su forma concreta de pende de la función del tejido. - Por ebullición del colágeno se obtiene una mezcla peptídica, cuya composición viene a ser: - 35 % Gly - 12 % Pro - 11 % Ala - 9 % HOPro (Hidroxiprolina) - Por difracción de rayos X se observa que no presenta ni hélice α ni lámina β. - El tropocolágeno está unido por un puente covalente de deshidroxinorleucina. - Al observar con detenimiento la molécula de tropocolágeno encontramos que se trata de un superhélice de 3 hélices. Tema 1: Aminoácidos y proteínas 12 Bioquímica Tema 2: Enzimas Nomenclatura y clasificación de los enzimas - Existen más de 2000 enzimas diferentes. - Se han tenido que clasificar siguiendo unos criterios unificados, establecidos por la Enzyme Comission International Union of Biochemistry and Molecular Biology (ECIUBMB). - Ejemplos: - Arginasa – arginina - Ureasa – Urea - Lipasa (Triacilglicérido hidrolasa) - Pepsina o Tripsina (Proteasas) - Existen 6 clases principales de enzimas, dentro de las cuales podemos encontrar subclases y clases inferiores, todo esto acompañado por un número de clasificación. - Ejemplo: - EC 3.1.1.34 LPL lipoproteína lipasa. - El nombre sistemático, que se usa en publicaciones, describe la reacción sobre la que actúa el enzima. Poder catalítico de los enzimas - Como catalizadores: - Aceleran la velocidad de las reacciones. - Son eficaces en pequeñas cantidades. - Su estado inicial es igual a su estado final. - No alteran el equilibrio de las reacciones que catalizan. - No afectan a la ∆G - Como proteínas: - Son termolábiles, es decir, son sensibles a la temperatura - Son más eficientes que los catalizadores químicos. - Son muy específicos. - Su regulación es muy compleja. - La especificidad reside en unos aminoácidos específicos, que conforman 2 centros diferentes: - El centro catalítico y el centro de unión al sustrato, que conjuntamente conforman el centro activo. Especificidad de acción - Reside como ya hemos comentado en el centro activo del enzima, ya que el centro activo es el auténtico responsable de la interacción. - A finales del siglo XIX, Fischer desarrolló el sistema de la llave cerradura para tratar de explicar el funcionamiento concreto de los enzimas a nivel de su especificidad - En 1963, Koschland propuso el sistema del ajuste inducido, de manera que se supone que el sustrato no es homólogo con el centro activo, sino que la fuerza del enlace provoca una alteración del enzima para poder acoplarse y dar lugar al complejo Enzima – Sustrato. - La especificidad de los enzimas es tan elevada e nivel de reconocimiento enzima y sustrato, que son capaces de reconocer las formas D y L. - En el centro catalítico están los grupos implicados directamente en la catálisis, es decir, que son los encargados de la rotura de enlaces y de la formación de nuevos. - Podemos encontrar tantos centro de unión como sustratos intervengan en la reacción, ya que estos centros son los encargados de reconocer y unirse a los sustratos. - Los dos centros, es decir, el catalítico y el de unión, suelen hallarse muy unidos, de manera que llegan incluso a solaparse. Si se produce esa unión, se crea el llamado centro activo. - La estructura y la funcionalidad de los enzimas depende de la correcta estructuración de la proteína. Tema 2: Enzimas 15 Bioquímica - Un enzima puede estar unido a coenzimas o cofactores. - Si ∆G < 0, este hecho nos indica que la reacción puede ser posible termodinámicamente. - La velocidad dependerá por lo tanto de diversos factores cinéticos como la frecuencia de los choques entre las moléculas de sustrato y enzima. - La frecuencia depende de las concentraciones de A y de B. - El % de colisiones efectivas es lo que se conoce como la energía libre de activación; ∆G*. - Esa energía es la diferencia entre la energía de los reactivos y la energía que deben alcanzar para poder transformarse en los productos. El máximo de la curva recibe el nombre de complejo activado o estado de transición. - Cuanto mayor sea la ∆G de activación menor posibilidad tendrá la reacción de tener lugar. - Se puede aumentar la velocidad aumentando la temperatura, de manera que al aumentar 10º la temperatura se duplica la velocidad, pero la célula carece de este sistema, ya que ella no puede aumentar su temperatura tanto, ya que ello podría conllevar la desnaturalización de algunas proteínas. - Las células usan los biocatalizadores para rebajar la energía libre de activación, de manera que la actuación de los enzimas no afecta al equilibrio, ni a la ∆G asociada, sino única y exclusivamente a la energía de activación. Acelera la reacción gracias a su especificidad. - Ejemplo: Factores que afectan a los enzimas - La actividad o velocidad enzimática está definida como la aparición de producto o desaparición de reactivo por unidad de tiempo. - Existen diversos factores que afectan a esa velocidad que son: - pH - La curva de la velocidad en función del pH suele tener una forma acampanada de manera que podemos encontrar un pH al cual en enzima actúa con el máximo de efectividad, que es lo que se conoce como el pH óptimo. - Hay enzimas que no tienen una forma acampanada, por lo que no tienen un pH óptimo. - Temperatura - Suelen presentar sus máximos de actividad entre los 40º y los 45º. - A temperaturas mayores se produciría una desnaturalización, mientras que a menores temperaturas lo que sucedería sería que no habría suficiente energía de activación. - Hay excepciones como es el caso de las bacterias termófilas, que pueden actuar hasta a 85º. - Las concentraciones de enzima y de sustrato también influyen en la velocidad. - La fuerza iónica también influye. - La presencia de cofactores influye también en la velocidad de reacción. - Si el sustrato es muy pequeño son los coenzimas los que ayudan al reconocimiento. Actividad catalítica de los enzimas - Es necesario que el sustrato tenga una orientación adecuada, de manera que el enlace del sustrato se pueda romper. Tema 2: Enzimas 16 Bioquímica - Al aumentar la concentración aumentarán los choques eficientes. - El enzima provoca presiones y tensiones en el enlace para provocar su rotura. - Creación de microambientes - Pueden crear alrededor del centro activo un ambiente hidrofóbico con diferentes propiedades a los de las proteínas en solución acuosa, de manera que podemos encontrar en él residuos polares que adquieren de esa manera características especiales, como una elevada afinidad por el sustrato. - En el centro activo no podemos encontrar agua a no ser que participe en la reacción. - Catálisis covalente - Hay enzimas que pueden llegar a formar un complejo covalente enzimas – sustrato, que es muy inestable y favorece de esa manera la formación de los productos correspondientes, reduciendo de esa manera la energía de activación. - Se nombran según el residuo capaz de formar el enlace. - Catálisis ácido – base - Los aminoácidos son anfólitos, y los enzimas al ser proteínas compuestas por estos tienen algunas capacidades ácido – base, lo que les permite durante su ciclo catalítico actuar o bien como ácido, bien como base, o como ambos. - COFACTORES - Son compuestos no proteicos, de los que necesitan algunos enzimas para poder realizar su función catalítica. Apoenzima Ión metálico: metaloenzimas Grupo prostético Holoenzima Cofactor Coenzima Cosustrato - Holoenzima: Complejo enzima cofactor - Apoenzima: grupo proteico del enzima - Iones metálicos: han de ser aportados con la dieta. Pueden ser: Fe, Cu, Zn, Mn, Co, Se, Na, K, Mg,... - Coenzimas: Son moléculas orgánicas esenciales, que también han de entrar con la dieta. Se suele tratar de vitaminas insolubles como: B1, B2, B3, B6, B12,... - Si es un grupo prostético está unido a la parte proteica por un enlace covalente. - Si se trata de un cosustrato el enlace será débil. - Puede ocurrir que necesiten más de un cofactor. - Puede ser difícil distinguir si se trata de un grupo prostético o de un cosustrato. - Los cofactores ayudan al enzima: - Favoreciendo la correcta alineación. - Aportando un sitio adicional de enlace. - Participando en la catálisis. - Los Coenzimas: - No son proteicos - Orgánicos, con un peso molecular bajo. - Termoestables - Estequiometría. - No son específicos. - Tienen diferentes estructura a la de los sustratos. - Elevada movilidad de electrones. - Ejemplos: - NAD+: Nicotinamidaadeninnucleótido (Forma reducida del NADH) - NADP+: Nicotinamidaadeninnucleótidofosfato (Forma reducida del NADPH) Tema 2: Enzimas 17 Bioquímica - La Km muestra una medida de la afinidad del enzima por el sustrato, de manera que a mayor afinidad menor Km, y viceversa. - La Km depende de la temperatura, de la fuerza iónica y del pH, pero es independiente de la concentración de enzima. - La Kcat es igual al número de recambio, aunque también se la conoce como constante catalítica, y es el número máximo de moléculas de sustrato convertidas a producto por centro activo y segundo cuando todo el enzima está saturado, es decir, está formando el complejo activo E – S. - Los enzimas no suelen trabajar a su Vmax. - Para poder calcular la Vmax debemos realizar cambios en la ecuación para que de una ecuación lineal. Reacciones bisustrato Mecanismo secuencial - Ambos sustratos deben encontrarse simultáneamente en el centro activo para poder formar el complejo terciario ESS. - Puede ser de 2 tipos: - Ordenado: - Existe una secuencia establecida de entrada de los sustratos y de salida de los productos. - Azar: - No existe una secuencia obligatoria. Mecanismo Ping – Pong - Tenemos en principio el enzima libre que se activa con el primer sustrato, formando el primer producto, quedando modificado temporalmente el enzima que reacciona con el segundo formando un nuevo producto y quedando el enzima inmodificado. - No existe la formación del complejo terciario. - La secuencia de entrada de productos está establecida. Inhibición - La mayoría de los enzimas pueden ser inhibidos. - El estudio de los enzimas y sus posibles inhibiciones permite estudiar farmacoterapia, rutas metabólicas,... Inhibición Irreversible - El inhibidor se combina o destruye algún grupo vital para que el enzima desarrolle correctamente su función, con lo que el enzima queda totalmente inutilizado. - Ejemplos: - DFP (gas nervioso) - Inhibidor de la acetilcolinesterasa. - Provoca una parálisis que conlleva la muerte. - El DFP se une a un residuo de serina a nivel del OH - Este gas permitió el desarrollo de un insecticida, el malatión. Tema 3: Cinética enzimática 20 Bioquímica Inhibición reversible - Se puede usar Michaelis – Menten para estudiar estos tipos de inhibición. - Podemos encontrar de diversos tipos: - COMPETITIVA: - El inhibidor y el sustrato compiten por el mismo centro, ya que ambas moléculas tienen estructuras similares, que les permiten unirse al mismo centro, de manera que el inhibidor impide que se una el sustrato. - Al competir tenemos las siguientes consecuencias: - Se necesita más cantidad de sustrato para llegar a la Vmax. - Se necesita más sustrato para llegar a la Km, que pasa a ser la Kmap (aparente). - Existe ahora una constante de disociación, la llamada Ki. - Para combatir la inhibición una solución es aumentar la concentración de sustrato. - NO COMPETITIVA: - El inhibidor no se une al centro activo, sino que se une a otro lugar, donde puede alterar la estructura del enzima, impidiendo la formación del complejo ES o del producto. - La Km no varía con el incremento de la concentración, mientras que lo que sí varía es la Vmax, que pasará a ser aparente. - ACOMPETITIVA: - El inhibidor no se combina con el Enzima sino que se une al complejo enzima – sustrato (ES), formando el complejo Enzima – Sustrato – Inhibidor (ESI). - Se suele dar en reacciones bisustrato. - Tendremos una velocidad máxima aparente menor y una Km aparente menor. - El inhibidor se une según se va uniendo el sustrato. Regulación de la actividad enzimática - Es una manera de regular la actividad metabólica. Rutas metabólicas de la Glucosa - Existen mecanismos homeostáticos para controlar los productos, de manera que el sustrato inicial no siempre genera la misma cantidad de productos. - Algunas vías pueden estar desconectadas en función de las necesidades del organismo. - La regulación de una determinada vía metabólica puede venir determinada por la presencia de un enzima limitante. - Puede tratarse de una regulación a largo plazo si se controla la cantidad de enzima, y de una a corto plazo si se trata de una regulación realizada con moduladores o efectores, que pueden o bien favorecer o bien perjudicar a la reacción. Tema 3: Cinética enzimática 21 Bioquímica - La expresión del enzima puede ser regulada por medio de factores hormonales que impiden la expresión de un determinado gen que exprese el enzima que se busca reprimir. - La variación de la cantidad de enzima vendría dada en ese caso por la diferencia entre las velocidades de síntesis y de degradación. - Esa diferencia se llama “turnover” o velocidad de recambio. - La célula conoce el número de moléculas que se deben sintetizar. - Ejemplos: E. Coli. - E. Constituyentes; se forman a cantidad y velocidad constante, independientemente del estado metabólico del individuo. - E. Inducibles; se forman en cantidades muy pequeñas, pero su cantidad puede aumentar enormemente en presencia del sustrato, y todavía más si ese determinado sustrato es su única fuente de sustrato. - Al igual que existe la inducción, podemos encontrar la represión. - Jacob y Monod desarrollaron el modelo del operon lac. - En eucariotas el proceso de regulación a largo plazo puede ser mucho más complicado. - La regulación en eucariotas se produce mediante hormonas que regulan la expresión del gen. En vertebrados, los puntos de regulación están en el punto donde se produce el primer contacto con los nutrientes. - Los mecanismos de regulación a corto plazo no implican un cambio en la síntesis del enzima. - Existen factores limitantes a la actividad enzimática, que pueden ser la temperatura, el pH, la concentración de sustrato, o la presencia de cofactores. - Hay otros enzimas que tienen otras propiedades que les permiten regular el metabolismo, son los enzimas reguladores, que son relativamente complejos. - Tienen algún mecanismo en su estructura que les permite regular la actividad ya sea de manera reversible o irreversible. - Son los responsables de las alteraciones metabólicas en células y tejidos, en tiempos relativamente cortos, ya sean segundos o minutos, dependiendo si se trata de no covalentes o de covalentes. Regulación no covalente - El caso más sencillo es el de la retroinhibición o “feed – back” negativo. - Una vez sintetizado suficiente producto, este mismo actúa de inhibidor sobre el enzima, impidiendo la síntesis de un exceso de producto. - Otro mecanismo no covalente es el alosterismo. - A mediados de los 50 se observó que había enzimas que no seguían la ecuación de Michaelis – Menten. Tema 3: Cinética enzimática 22 Bioquímica - Aportando energía obtendremos lo que se conoce como transporte activo, que suele ser en contra del gradiente de concentración. - Podemos distinguir 2 tipos de transporte, si este implica gasto de energía, aparte de los anteriormente citados: - Transporte activo primario: - Si la energía es aportada directamente por: - Hidrólisis de ATP. - Flujo de electrones en una cadena de cadena de transporte de e-. - Luz. - Transporte activo secundario: - Si la energía es creada por un gradiente de concentración creado a su vez por un transporte activo primario, de manera que este crea un gradiente que al descargarse permite el paso de otra sustancia. Tema 4: Metabolismo energético 25 Bioquímica Tema 4: Metabolismo energético - La célula sólo puede utilizar la energía libre, que es capaz de crear trabajo a temperatura y presión constante. - La energía libre viene de los nutrientes, y la célula la transforma en energía química. - En una célula a condiciones fisiológicas encontramos: - T=37º C T=310º K - pH = 7 [H+] estándar de bioquímica. - ∆G0´ (fisiológico) - A las reacciones exergónicas se las puede llamar de cuesta abajo, mientras que las endergónicas son de cuesta arriba. Este hecho hace referencia a la ∆G. - Endotérmico y exotérmico hacen referencia sólo a la temperatura. - La ∆G0´ da la máxima cantidad de trabajo útil que se puede producir en la reacción a T y P constantes. - Se define como la pérdida o ganancia de energía en calorías a: - P= 1 atm. - T= 25º C - pH =7 - [R] y [P] = 1 - La ∆G0´ es una constante de cada reacción y nos dice en que dirección y extensión se va a producir una reacción hasta llegar al equilibrio en condiciones estándar. - La ∆G real de una reacción determinada depende de las concentraciones, de la temperatura y del pH. - Siempre tendrá sino negativo e irá perdiendo valor hasta llegar a 0 momento en que se habrá alcanzado el equilibrio , cuando ya no podrá producir más trabajo. - Tanto la ∆G como la ∆G0´ dan unos valores teóricos. Reacciones acopladas - Reacciones termodinámicamente desfavorables pueden verse favorecidas por reacciones termodinámicamente favorables hasta el punto de ser favorables ellas también. ATP (Adenosin trifosfato) - Es la molécula capaz de captar la energía. - El ATP es el intermediario entre los procesos que producen energía y los que requieren de ella para su correcto funcionamiento. - La energía liberada por los nutrientes es aprovechada para, en una reacción acoplada, sintetizar el ATP mediante la fosforilación del ADP. - Este ATP puede usarse para muchos procesos vitales: - Contracción muscular. - Biosíntesis. - Trabajo osmótico. - ... - El ATP se encuentra en todas las células vivas. - Libera la energía mediante un proceso de hidrólisis. - El ATP fue aislado por vez primera a finales de los años 20, pero hasta 1940 no se descubrió su auténtica utilidad. Tema 4: Metabolismo energético 26 Bioquímica - El nucleótido a pH=7 está en forma de ATP4- o de ADP3- y se acompleja con Mg2+ para dar lugar a MgATP2- y MgADP-. - La ∆G0´ del ATP es de –7,3 Kcal/mol. Tema 5: Cadena respiratoria 27