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Prof. Responsable: Dra. Ana Anzulovich
Prof. Colaborador: Dra. Fanny Zirulnik
Responsable de los Trabajos Prácticos: Dra. Alicia Molina
Jefes de TP: Dra. Mariela Coria y Dra. Lorena Navigatore
EQUIPO DOCENTE
QUIMICA BIOLOGICA
Objetivos:I. Comprender las transformaciones
energéticas celularesII. Establecer los principios de la
bioenergéticaIII. Describir las rutas metabólicas de
biosíntesis
Moléculas Biológicas - Estructura químicaInteracciones entre moléculasDegradación y síntesis celular de las moléculas
Conservación y utilización de la energía en las células
Mecanismos regulatorios
En particular, los OBJETIVOS de este curso para las carreras de Licenciatura y Profesorado en Ciencias Biológicas, son:
- Estudiar las enzimas como herramientas de regulación, transformación y generación de energía celular.
- Analizar los procesos de degradación y biosíntesis de los compuestos biológicos, teniendo en cuenta su interrelación y mecanismos de regulación.
- Integrar las distintas vías metabólicas y su relación con los mecanismos de producción y utilización de energía por parte de los seres vivos.
ENZIMAS: Naturaleza Química. Propiedades Generales.
Nomenclatura y Clasificación. Coenzimas y Grupos
Prostéticos. Actividad Enzimática: Unidad de enzima-
Actividad específica- Actividad molecular. Conceptos de
afinidad y cooperatividad enzimática. Factores que
afectan la actividad enzimatica: pH, T, [S], [Enzima].
Inhibidores naturales de la actividad enzimática.
Mecanismo de regulación metabólica: Inhibición y
activación por sustrato, niveles enzimáticos, modulación de la
actividad de enzimas. Regulación Enzimática: Enzimas
alostéricas (propiedades y cinética). Modulación Covalente.
Zimógenos. Isoenzimas: Propiedades e importancia.
BOLILLA 1
1850, Louis Pasteur ‘fermentos’ de las levaduras.
1897, Edward Buchner (los fermentos se pueden aislar de las levaduras). Fredrick W. Kühne (llamó a esos fermentos ‘enzimas”).
1926, James Sumner (ureasa, estructura proteica).
1930, John Northrop y Moses Kunitz- (pepsina,tripsina y quimotripsina).
Ultimos 50 años (estructura y función). 1963- 1º Secuencia de aminoácidos
ribonucleasa pancreática bovina A. 1965, 1º estructura Rx- lisozima de la clara de
huevo de gallina. 1983.Sidney Altman y colaboradores. El ARN de
la ribonucleasa P tiene actividad catalítica.
UN POCO DE HISTORIA…
Energía de activación de una reacción
Energia libre (G)
Progreso de la reaccion
Estado deactivacion
Energia de Activacion (Ea)
ΔG (-) de reaccion
G1 de Reactivos A+B
G2 de Productos C+D
A + B C + D
Ea de la reaccioncatalizada
Catalizador
La velocidad a la cual se produce el intermediario de transición depende de:1- la Ea,2- la frecuencia de choques entre las moléculas.3- orientación adecuada de las moléculas.
Catalizador: agente capaz de acelerar una reacción química, sin formar parte de los productos formados, ni desgastarse en el proceso.
Las ENZIMAS son macromoléculas que funcionan como catalizadores biológicos, ya que disminuyen la Ea y favorecen la orientación de las moléculas reaccionantes.
Ningún organismo puede vivir sin ENZIMAS
La mayoría de las reacciones deben ser catalizadas para que ocurran en el tiempo y el momento que la célula lo requiere.
Las enzimas en general son proteínas que deben ser sintetizadas correctamente, con la estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria, si la tuvieran, de toda proteína.
Cualquier alteración de la síntesis de estas proteínas puede llevar a una patología
Transformación de moléculas de nutrientes simples en moléculas mas complejas, y viceversa.
Extracción de energía desde combustibles o compuestos degradables por oxidación.
Polimerización de subunidades para formar macromoléculas, etc.
FUNCION DE LAS ENZIMAS
Transformación de moléculas complejas en moléculas simples y viceversa
Ejemplos de transformaciones mediadas por enzimas
PAN
PAPAS
ARROZ
ALMIDON
GLUCOGENO (GLUCOSA)n
n (GLUCOSA)
ENZIMAS
ENZIMAS
PANCETA
CHIZITOS
CHORIZOS
GRASAS(TG)
TRIGLICERIDOS
MONOGLICERIDOS
ENZIMAS
ENZIMAS
GLICEROL+3 AC.GRASOS
ENZIMAS
Oxido-reducción
Rotura y formación de enlaces C-C
Reorganizaciones internas
Transferencia de grupos
Reacciones de condensación
Tipos de reacciones catalizadas por enzimas
Al nombre del sustrato o del producto, se le agrega la terminación ASA. Por ejemplo:
sacarasa, ureasa, amilasa, etc. O a la reaccion que catalizan, por ej.:
oxidoreductasa, deshidrogenasa, descarboxilasa, etc.
Otras tienen nombres arbitrarios, como: ptialina salival, pepsina del jugo gástrico,
tripsina, etc. Cada enzima tiene un nombre y un numero
asignado por la Comisión Internacional de Enzimas. Por ej.: Lactato deshidrogenasa (EC 1.1.1.27)
DENOMINACION DE LAS ENZIMAS
Clase - subclase - subsubclase - nº de orden
1 1 1 27
Cómo se clasifican las enzimas???
1-OXIDORREDUCTASAS
2. TRANSFERASAS
Alcohol deshidrogenasa (EC 1.1.1.1)
Hexoquinasa
(EC 2.7.1.2)
Clase - subclase - subsubclase - nº de orden
Lactato 1 1 1 27 deshidrogenasa
4. LIASAS
5. ISOMERASAS
6. LIGASAS
Piruvato descarboxilasa
(EC 4.1.1.1)
Fumarasa ó malato isomerasa
(EC 5.2.1.1)
Piruvato carboxilasa
(EC 6.4.1.1)
3. HIDROLASAS
Carboxipeptidasa A
(EC 3.4.17.1)
NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LAS ENZIMAS
La mayoría de las ENZIMAS (E) son PROTEINAS (excepción: la ribozima)
Las ENZIMAS tienen la capacidad de AUMENTAR LA VELOCIDAD de las reacciones, por ello se denominan CATALIZADORES BIOLOGICOS
La sustancia sobre las cuales actúan se denominan SUSTRATO (S)
ESTRUCTURA TERCIARIA Y CUATERNARIA
SITIO DE UNION AL SUSTRATO (Sitio Activo) Uniones no Covalentes: Puente de hidrógeno
Hidrofóbicas Electrostáticas
NECESITAN DE FACTORES NO ENZIMATICOS: inorgánicos (metales) y orgánicos (Coenzimas)
ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO. Estereoespecificidad y especificidad geométrica.
SON REGULABLES: la síntesis de la proteína-enzima, su actividad y degradación.
CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS
REACCION ENZIMATICA
Enzima ProductoSustratoEnzima
E + S E + P
Complejo ES
ES
Diagrama de coordenadas de una reacción enzimática catalizada y sin catalizar
P
Ea de la reacción NO catalizada
S
Energía Libre (G) Estado de transición
Progreso de la reacción
Ea de la reacción cat.
Enz-S Enz-P
ALTA ESPECIFICIDAD
Único sustrato
Glucoquinasa Glucosa
ESPECIFICIDAD RELATIVA Grupo de sustratos
Hexoquinasas HEXOSAS
glucosa, manosa y fructosa
ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS
D-Glucosa
Glucoquinasa
GLUCOSA GLUCOSA-6P
ATP ADP
- P
ENZIMA TOTAL
PROTEÍNA(termolábil)
NO PROTEICA(termoestable)
HOLOENZIMA APOENZIMA COENZIMA= +
COENZIMAS
Transportadores de grupos funcionales
Transportadores de electrones
VITAMINAS-COENZIMAS
Niacina NAD, NADP
Ion Hidruro (:H -)
PDH GAD
Riboflavina (Vit.B2)
FAD, FMN
Electrones
SDH
Tiamina (Vit. B1)
PP-tiamina
Aldehídos
PDH, TC
Acido fólico
TH4
Grupos monocarbonados
Ser-Tre Deshidra
t.
Acido lipoico
Lipoamida
Electrones y grupos acilos.
PDH
Piridoxina (B6)
P-piridoxal
Transferencia grupos aminos
Transaminasas
Acido pantoténico
Coenzima A
Grupos acilo
Tiolasa
Enzimas que requieren iones metálicos como cofactores
Citocromo oxidasa
Catalasa
Peroxidasa
Fe++ ó Fe+++
Anhidrasa carbónica Zn++
Piruvato quinasa K+
Hexoquinasa
Glucosa-6-fosfatasa
Piruvato quinasaMg++
COMPARTIMENTALIZACION: Diferente localización dentro de la célula.
SISTEMAS MULTIENZIMATICOS: Enzimas relacionadas agrupadas formando verdaderos complejos macromoleculares.
ENZIMAS MULTIFUNCIONALES: Una enzima que presenta distintos sitios catalíticos
DISTRIBUCION DE LAS ENZIMAS
Unidades Internacionales (UI) (medida de velocidad)
Actividad Específica Actividad enzimática (UI) por miligramo de
proteína presente en la muestra
Actividad Molar ó Numero de Recambio Moléculas de S convertidas en P por unidad de tiempo y por molécula de enzima
ACTIVIDAD ENZIMATICA
UI =moles de S transformados
min
AE =
UI
mg de proteína
Actividad molar = mol de enzima
mmol de S transformados/min
ACTIVIDAD ESPECIFICA
+ +Prot.Tot: ∑ + +Prot.Tot: ∑ +
AB
+Prot.Tot: ∑
Prot.Tot: ∑
D
Actividad específica
U.I.E.
mgr de proteína= =
Activ. Enzimática
Prot. totales
Factores que afectan la actividad enzimática
pH
Temperatura
Concentración de Enzima
Concentración de Sustrato
Influencia del pH sobre la actividad enzimática
Actividad enzimática
pHpH óptimo
Ejemplos de enzimas con diferentes pH óptimos
Influencia de la Temperatura sobre la actividad enzimática
T(ºC)
Actividad enzimática
T. óptima
act
ivid
ad p
or
d
e la
te
mp
erat
ura
de temperatura
provoca
desnaturalización
Efecto de la concentración de enzima sobre la actividad
[E]
Act. Enz. o Vo
Concentración saturante de sustrato, y a pH yT constantes
Vo
[S]
Leonor Michaelis y Maud Menten
Vo
[S]
VARIACION DE LA VELOCIDAD DE REACCION CON LA CONCENTRACION DE SUSTRATO
GRÁFICA DOBLE RECÍPROCA O DE LINEWEAVER-BURK
Pendiente= Km/Vmáx
Intersección c/eje x = - 1/Km
Ordenada al origen = 1/Vmáx.
INHIBICION ENZIMATICA
INHIBICION IRREVERSIBLE
POR ENLACE COVALENTE
INHIBIDOR SUICIDA
DIFP Quimotripsina
Alopurinol Xantina oxidasa
Penicilina Transpeptidasa
INHIBICION REVERSIBLE
COMPETITIVA
NO COMPETITIVA
ACOMPETITIVA
INHIBICION IRREVERSIBLE
- Acetilcolinesterasa
- QuimotripsinaEnzima inactivada
Por unión covalente del inhibidor
Diisopropilfluorfosfato (DIPF)
Inhibidor suicida
INHIBICION IRREVERSIBLE
Se une al sitio activo de la enzima y ésta cataliza la modificación
del inhibidor a otro compuesto que permanece unido a la enzima.
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.
Inhibidor competitivo
COO-
(CH2)2
COO-
COO-
CH2
COO-
Succinato + FAD+ Fumarato + FADH2
Succinato deshidrogenasa
Malonato
Inhibidor no competitivo
Inhibidor acompetitivo
acompetitivo
REGULACION DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS
REGULACION DE LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS
REGULACION DE LA SINTESIS
DE LAS ENZIMASENZIMAS INDUCIBLES
REGULACION ALOSTERICA REGULACION COVALENTE
REGULACION POR PROTEINAS
REGULACION POR PROTEOLISIS
ENZIMAS ALOSTERICASENZIMA ALOSTERICA
MODULADORES POSITIVOS MODULADORES NEGATIVOS
Enzima Enzima Enzima Enzima
1 2 3 4
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS ALOSTERICAS
Poseen un sitio de unión a un metabolito regulador (sitio alostérico)
La unión del metabolito a la enzima es de carácter reversible y no covalente.
Son homotrópicas o heterotrópicas.
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
CINETICA DE UNA ENZIMA ALOSTERICACurva Sigmoidea
Regulación de la actividad de la Aspartato transcarbamilasa
(ATCasa)
vi
v
Aspartato (mM)
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
EJEMPLOS DE ENZIMAS ALOSTERICAS
COOPERATIVIDAD
COOPERATIVIDAD
POSITIVA
NEGATIVA
HOMOTROPICA
HETEROTROPICA
REGULACION POR MODIFICACION COVALENTE
Fosforilacion
ADP-Ribosilación
Enzima
Fosfoadenilacion
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
Ejemplo de regulación covalente
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
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.
REGULACION POR PROTEOLISIS
ZIMOGENOS
Modifican la actividad de enzimas involucradas en el metabolismo celular. Por ej. Indirectamente activando o inhibiendo la actividad de la glutamina sintetasa.
RNA polimerasa: Asn, Gln, Glu, Lys y Arg forman enlaces hidrógenos con las bases del DNA
REGULACION POR PROTEINAS
ISOENZIMAS
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.
Son utilizadas en clínica para determinar
el origen del tejido dañado
Se encuentran ubicadas en diferentes
compartimentos de la célula ó en diferentes
tejidos.
Dos isoenzimas presentan en general
diferentes valores de Km y Vmáx.
Ejemplo de isoenzimas: Glucoquinasa y hexoquinasa
Hexoquinasa
Glucoquinasa
Actividadenzimática
Km. hexq Km. glucq [glucosa mmol/l
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