apunts unitat 2

U2. Proteïnes i àcids nucleics. Activitat enzimàtica

2. Proteïnes i àcids nucleics. Activitat

enzimàtica

Índex:

LES PROTEÏNES

1. Composició química

2. Aminoàcids

3. Enllaç peptídic i pèptids

4. Estructura

5. Propietats

6. Classificació

7. Funcions

ACTIVITAT ENZIMÀTICA

1. Concepte d'enzim

2. Característiques químiques

3. Característiques de l'acció enzimàtica

4. Les vitamines

ELS ÀCIDS NUCLEICS

1. Components

2. Polinucleòtids

2.1. Àcid desoxiribonucleic

2.2. Àcid ribonucleic

3. Funcions

BIBLIOGRAFIA

1


LES PROTEÏNES

Són els composts orgànics més abundants en les cèl·lules. El seu pes molecular és variable, però es poden definir com a macromolècules no ramificades, constituïdes per unitats de baix pes molecular que es repeteixen.

1. Composició química i classificació

Les proteïnes són biopolímers (macromolècules orgàniques), d'elevat pes molecular, constituïdes bàsicament per carboni (C), hidrogen (H), oxigen (O) i nitrogen (N) encara que també poden contenir sofre (S) i fòsfor (P). Estan formades per unitats estructurals (monòmers) anomenades aminoàcids. Són complexos macromoleculars que es construeixen i degraden amb gran facilitat dins les cèl·lules, i a això es deu la capacitat de creixement, reparació i regulació en la matèria viva.La seva presència en els éssers vius es indispensable per al desenvolupament dels múltiples processos vitals.Es classifiquen, de forma general, en holoproteïnes i heteroproteïnes segons estiguin formades respectivament nomes per aminoàcids o bé per aminoàcids i altres molècules o elements addicionals no aminoacídics.

2. Els aminoàcids

Són les unitats bàsiques que formen les proteïnes. La seva denominació respon a la composició química general que presenten, en la qual un grup amino (-NH2) i altre carboxil o acid (-COOH) s'uneixen a un carboni (-C-). Les altres dues valències d'aquest carboni queden saturades amb un àtom d'hidrogen (-H) i amb un grup químic variable al que s'anomena radical (-R).

Tridimensionalment el carboni presenta una configuració tetraèdrica en la qual el carboni es disposa en el centre i els quatre elements que s'uneixen a ell ocupen els vèrtex. Quan en el vèrtex superior es disposa el -COOH i es mira per la cara oposada al grup R, segons la disposicio del grup amino (-NH2) a l'esquerra o a la dreta del carboni es parla de " -L-aminoàcids o de " -D-aminoàcids respectivament. En lesproteïnes només es troben aminoàcids de configuració L.

2


En la naturalesa existeixen uns 80 aminoàcids diferents, però de tots ells només uns 20 formen part de les proteïnes. La classificació dels aminoàcids s’estableix segons les característiques dels grups funcionals de la cadena lateral o “R”:

1. Apolars: La cadena “R” conté grups hidròfobs (que interaccionen amb altres grups hidròfobs mitjançant forces de Van der Wals). Podem distingir:

a. Alifàtics, quan R és una cadena alifàtica (és a dir hidrocarbonada)b. Aromàtics, quan les cadenes R contenen anells aromàtics (benzè).

2. Polars sense càrrega. Les cadenes “R” contenen grups polars capaços d’establir ponts d’hidrogen amb altres molècules.

3. Polars amb càrrega. La cadena “R” conté grups amb càrrega elèctrica:a. Amb càrrega positiva (bàsics) quan “R” conté grups amino (-NH2)b. Amb càrrega negativa (àcids) quan “R” conté grups carboxil (-COOH)

3


Els aminoàcids que un organisme no pot sintetitzar han de ser subministrats amb la dieta i s'anomenen aminoàcids essencials. Aquells aminoàcids que l'organisme pot sintetitzar es diuen aminoàcids no essencials.Per a l'espècie humana són essencials vuit aminoàcids: treonina, metionina, lisina, valina, triptòfan, leucina, isoleucina i fenilalanina (a més pot afegir-se la histidina, que es essencial durant el creixement, però no per a l'adult)

Propietats dels aminoàcidsEls aminoàcids són composts sòlids; incolors; cristal·litzables; d'elevat punt de fusió

(habitualment per sobre dels 200ºC); solubles en aigua; amb activitat òptica i amb un comportament amfòter.

L'activitat òptica és la capacitat de desviar el plànol de la llum polaritzada que travessa una dissolució d'aminoàcids i es deguda al carboni asimètric (tots els aminoàcids tenen un carboni asimètric excepte la glicina).Aquesta propietat fa classificar els aminoàcids en dextrogirs (+), si desvien el plànol de la llum polaritzada cap a la dreta, i levogirs (-), si la desvien cap a l'esquerra.

El comportament amfòter fa referència a que, en dissolució aquosa, els aminoàcids són capaços d'ionitzar-se de diverses formes, depenent del pH del medi en què es dissolen. Es comporten com un àcid quan el pH del medi és bàsic, com una base quan el pH és àcid o com un àcid i una base simultàniament quan el pH del medi és neutre. En aquest últim cas adopten un estat dipolar iònic conegut com zwitterion.

Tot aminoàcid pot equilibrar les seves càrregues positives i negatives de forma que la seva càrrega neta sigui zero. Això passa en un valor de pH concret, diferent per a cada aminoàcid. Aquest valor de pH s'anomena punt isoelèctric. Es defineix com el valor de pH en què la càrrega neta de la molècula és zero: els aminoàcids són elèctricament neutres.

3. Enllaç peptídic i pèptids

Els pèptids són cadenes lineals d'aminoàcids enllaçats per un enllaç químic de tipus amídic (amida primària) denominat enllaç peptídic. Per a formar pèptids els aminoàcids es van enllaçant entre sí formant cadenes de longitud i seqüència variable. Per a denominar aquestes cadenes s'utilitzen prefixos convencionals com:

a) Oligopèptids, si el nombre d'aminoàcids és menor de 10• Dipèptids, si el nombre d'aminoàcids és 2• Tripèptids, si el nombre d'aminoàcids és 3• Tetrapèptids, si el nombre d'aminoàcids és 4

b) Polipèptids o cadenes polipeptídiques, si el nombre d'aminoàcids és major de 10. Cada pèptid o polipèptid se sol escriure, convencionalment, d'esquerra a dreta, començant per l'extrem N-terminal (el que posseeix un grup amino lliure) i finalitzant per l'extrem C-terminal (en el qual es troba un grup carboxil lliure); de tal manera que l'eix o esquelet del pèptid, format per una unitat de sis àtoms (-NH-Cɑ-H-CO-), és idèntic a tots

4


ells. Així, el que varia d'uns pèptids a uns altres, i per extensió, d'unes proteïnes a unes altres, és el nombre, la naturalesa i l'ordre o seqüència dels seus aminoàcids.

L'enllac peptídic és un enllaç covalent; i s'establix entre el grup carboxil (-COOH) d'un aminoàcid i el grup amino (-NH2) de l'aminoàcid contigu immediat, amb el consegüent despreniment d'una molècula d'aigua.

Per altra banda, el caràcter parcial de doble enllaç de l'enllaç peptídic (-C-N-) determina la disposició espacial

d'aquest en un mateix pla, amb distàncies i angles fixos. Com a conseqüència, l'enllaç peptídic presenta certa rigidesa i immobilitza en el plànol els àtoms que el formen.

4. Estructura

L'estructura tridimensional d'una proteïna és un factor determinant en la seva activitat biològica. Té un caràcter jerarquitzat; és a dir, aten a uns nivells de complexitat creixent que donen lloc a 4 tipus d'estructures: primària, secundària, terciària i quaternària.Cadascun d'aquests nivells es construeix a partir de l'anterior.Estructura primària: És la successió lineal d'aminoàcids que formen la cadena peptídica i per tant indica quins aminoàcids componen la cadena i en quin ordre es troben. L'ordenament dels aminoàcids en cada cadena peptídica, no es arbitrària si no que obeeix a un seqüència determinada en el DNA. Aquesta estructura defineix l'especificitat de cada proteïna.

5


Estructura secundària: És la disposició que adopta la cadena peptídica (estructura primària) en l’espai. S’adquireix a mesura que és sintetitzada en els ribosomes. Es deguda als girs i plegaments que sofreix com a conseqüència de la capacitat de rotació del carboni i de la formació d'enllaços febles (ponts d'hidrogen) entre grups C=O i N-H. Les formes que poden adoptar són:a) Disposició espacial estable determina formes en espiral (configuració ɑ– helicoïdal).

b) Formes plegades (configuració β o de fulla plegada).

c) També existeixen seqüències en el polipèptid que no arriben a una estructura secundària ben definida i es diu que formen plegaments aleatoris. Per exemple, veure en les figures anteriors, els llaços que uneixen entre sí fulles plegades β.

d) Algunes proteïnes tenen estructures secundàries especials, com la triple hèlix de col·làgena.

6


Estructura terciària: Són els superplegaments de l'estructura secundària, constituint formes tridimensionals geomètriques molt complicades que es mantenen per enllaços forts (ponts disulfur entre dues cisteïnes) i febles (ponts d'hidrogen; forces de Van der Waals; interaccions iòniques i interaccions hidrofòbiques).

Des del punt de vista funcional, aquesta estructura és la mes important ja que, quan l’assoleixen, és quan la majoria de les proteïnes adquireixen la seva activitat biològica o funció. Moltes proteïnes tenen estructura terciària globular i es caracteritzen per ser solubles en dissolucions aquoses, com la mioglobina o molts enzims. Però no totes les proteïnes arriben a formar estructures terciàries. En aquests casos mantenen la seva estructura secundària allargada donant lloc a les anomenades proteïnes filamentoses,que són insolubles en aigua i dissolucions salines essent, per això, idònies per a les funcions esquelètiques. Entre elles, les més conegudes són la col·làgena dels ossos i del teixit conjuntiu; la β-queratina del pèl, plomes, ungles, banyes, etc...; la fibroïna del fil de seda i de les teranyines i la elastina del teixit conjuntiu, que forma una xarxa deformable per la tensió.

Estructura quaternària: Es forma per l'acoblament de diverses cadenes polipeptídiques, iguals o diferents, amb estructures terciàries que queden auto enllaçades per enllaços febles, no covalents. Aquesta estructura no la posseeixen totes les proteïnes. Algunes que si la presenten son: la hemoglobina i els enzims al·lostèrics.

7


5. PropietatsSOLUBILITAT

Les proteïnes són solubles en aigua quan adopten una conformació globular. La solubilitat es deguda als radicals (-R) lliures dels aminoàcids que, a l'ionitzar-se, estableixen enllaços febles (ponts d'hidrogen) amb les molècules d'aigua. Així, quan una proteïna se solubilitza queda recoberta d'una capa de molècules d'aigua (capa de solvatació) que impedeix que es pugui unir a altres proteïnes la qual cosa provocaria la seva precipitació (insolubilització). Aquesta propietat és la qual fa possible la hidrataciódels teixits dels éssers vius.

CAPACITAT AMORTIDORA Les proteïnes tenen un comportament amfòter que les fa capaces de neutralitzar les

variacions de pH del medi, ja que poden comportar-se com un àcid o una base i per tant alliberar o retirar protons (H+) del medi on es troben.

DESNATURALIZACIÓ I RENATURALIZACIÓLa desnaturalització d'una proteïna es refereix a la ruptura dels enllaços que

mantenien les seves estructures quaternària, terciària i secundaria, conservant-se únicament la primària. En aquests casos les proteïnes es transformen en filaments lineals i prims que s'entrellacen fins a formar compostos fibrosos i insolubles en aigua. Els agents que poden desnaturalitzar a una proteïna poden ser: calor excessiva; substàncies que modifiquen el pH; alteracions en la concentració; alta salinitat; agitació molecular; etc... L'efecte més visible d'aquest fenomen és que les proteïnes es fan menys solubles o insolubles i perden la seva activitat biològica. La major part de les proteïnes experimenten desnaturalitzacions quan s'escalfen entre 50 i 60ºC; unes altres es desnaturalitzen també quan es refreden per sota dels 10 a 15ºC. La desnaturalització pot ser reversible (renaturalizació) però en molts casos és irreversible.

ESPECIFICITATÉs una de les propietats més característiques i importants de les proteïnes. Es

refereix a que cadascuna de les espècies d'éssers vius és capaç de sintetitzar les seves pròpies proteïnes (diferents de les d'altres espècies). Fins i tot dins una mateixa espècie hi ha diferències proteiques entre els diferents individus. Això no succeeix amb els glúcids i lípids, que són comuns a tots els éssers vius. L'enorme diversitat proteica interespecífica i intraespecífica és la conseqüència de les múltiples combinacions entre els aminoàcids, la qual cosa està determinada pel DNA de cada individu.L'especificitat de les proteïnes explica alguns fenòmens biològics com: la compatibilitat o no de trasplantaments d'òrgans; empelts biològics; sèrums sanguinis; etc... o els processos al·lèrgics i, fins i tot, algunes infeccions.

8


6. Classificació

Les proteïnes es poden classificar seguint diversos criteris: solubilitat, composició, forma de la molècula, activitat biològica...a. Classificació segons la seva composició

Holoproteïnes o proteïnes simples. Estan formades únicament per cadenes polipeptídiques.(hormona del creixement)

Heteropoteïnes o proteïnes complexes o conjugades. A més de les cadenes polipeptídiques, estan compostes també d'una banda no proteica que es denomina grup prostètic i que es necessari per a que la proteïna desenvolupi la seva funció. Una proteïna conjugada sense el seu grup prostètic es denomina apoproteïna. Es poden classificar segons la naturalesa del grup prostètic: hemoproteïnes (Fe) com l'hemoglobina; lipoproteïnes (lípids), glucoproteïnes (glúcid) com les gammaglobulines; nucleoproteïnes (àcid nucleic) com les histones; fosfoproteïnes (àcid fosfòric) com la caseïna de la llet; metal·loproteïnes (composts inorgànics senzills o àtoms) com la ferritina o l'alcohol deshidrogenasa.

b. Classificació segons la seva estructura terciàriaProteïnes globulars. Tenen una forma més o menys esfèrica, generalment són

solubles en aigua o en dissolucions salines diluïdes (albúmines, globulines, protamines, histones, ...)

Proteïnes fibril·lars, amb forma allargada; generalment són insolubles en aigua i són les responsables de la major part de les estructures fixes dels organismes (col·làgenes, elastines, queratina, ...)

c. Classificació segons les funcions que ocupen.A continuació s’estudiaran les funcions de les proteïnes i veurem exemples.

7. Funcions

Les proteïnes determinen la forma i l'estructura de les cèl·lules i dirigeixen gairebé tots els processos vitals. Les funcions de les proteïnes són específiques i permeten a les cèl·lules mantenir la seva integritat, defensar-se d'agents externs, reparar danys, controlar i regular funcions, etc ... Totes les proteïnes realitzen la seva funció de la mateixa manera: per unió selectiva a molècules. Les proteïnes estructurals s'agreguen a altres molècules de la mateixa proteïna per a originar una estructura major. No obstant això, altres proteïnes s'uneixen a molècules distintes: els anticossos als antígens específics, l’hemoglobina a l'oxigen, els enzims als seus substrats, els reguladors de l'expressió gènica al DNA, les hormones als seus receptors específics, etc ...A continuació s'exposen alguns exemples de proteïnes i les funcions que desenvolupen:

1. Funció estructural: Les proteïnes són uns dels principals components dels éssers vius. A nivell cel·lular podem destacar les proteïnes de membrana, les quals realitzen funcions de transport de substàncies entre l'exterior i l'interior cel·lular, receptors dels neurotransmissors i de les hormones. Altres proteïnes constitueixen el citoesquelet de la cèl·lula, el fus acromàtic, els flagels i els cilis. Els ribosomes estan formats per proteïnes i RNA i les histones formen part dels cromosomes. A nivell orgànic hi ha algunes proteïnes estructurals importants com la col·làgena i l'elastina, que formen part del teixit conjuntiu, la ceratina que forma part de les ungles, plomes i banyes, o la fibroïna component de la seda de les teranyines i dels capolls dels cucs de seda.

9


2. Funció enzimàtica: Les proteïnes amb funció enzimàtica són les més nombroses i especialitzades. Actuen com a biocatalitzadors de les reaccions químiques del metabolisme cel·lular.

3. Funció hormonal: Algunes hormones són de naturalesa proteica, com la insulina i el glucagó (que regulen els nivells de glucosa en sang) o les hormones segregades per la hipòfisi com la del creixement o la adrenocorticotròpica (que regula la síntesi de corticosteroides) o la calcitonina (que regula el metabolisme del calci).

4. Funció reguladora: Algunes proteïnes regulen l'expressió de certs gens i unes altres regulen la divisió cel·lular (com la ciclina).

5. Funció homeostàtica: Algunes mantenen l'equilibri osmòtic i actuen juntament amb altres sistemes esmorteïdors per mantenir constant el pH del medi intern.

6. Funció defensiva: Les inmunoglobulines actuen com anticossos enfront de possibles antígens. La trombina i el fibrinogen contribueixen a la formació de coàguls sanguinis per a evitar hemorragies. Les mucines tenen efecte germicida i protegeixen a les mucoses. Algunes toxines bacterianes, com la del botulisme, o verins de serps, són proteïnes fabricades amb funcions defensives.

7. Funció de transport: L’hemoglobina transporta oxigen per la sang dels vertebrats. L’hemocianina transporta oxigen en la sang dels invertebrats. La mioglobina transporta oxigen en els músculs. - Les lipoproteïnes transporten lípids per la sang. Els citocroms transporten electrons en la cadena transportadora de mitocondris i cloroplasts.

8. Funció contràctil: L’actina i la miosina constitueixen les miofibretes responsables de la contracció muscular. La dineina esta relacionada amb el moviment de cil·lis i flagels.

9. Funció de reserva: L’ovoalbumina de la clara d'ou, la gliadina del gra de blat i la hordeina de l'ordi, constitueixen la reserva d'aminoàcids per al desenvolupament de l'embrió. Una altra proteïna amb funció de reserva és la lactoalbúmina de la llet.

ACTIVITAT ENZIMÀTICA

1. Concepte d'enzim

Els enzims són biocatalitzadors d’acció específica. Són substàncies que actuen com a catalitzadors molt potents i eficaços. La majoria són de naturalesa proteica, tot i que algunes molècules d’ARN (ribozims) també actuen com a enzims.Els enzims actuen en petita quantitat i es recuperen indefinidament. No porten a terme reaccions que siguin energèticament desfavorables ni modifiquen el sentit dels equilibris químics si no que acceleren la seva consecució. Totes les transformacions químiques que es donen als organismes (conegudes en conjunt com a metabolisme) són catalitzades per enzims.

10


2. Característiques químiques

Tots els enzims, exceptuant els ribozims, sempre tenen una part proteica. Un tipus d'holoenzims, els holoenzims, actuen amb l'ajuda d'estructures no proteiques unides per interaccions febles a la part proteica o apoenzim. La part no proteica s'anomena cofactor, quan es tracta d'ions metàl·lics o molècules inorgàniques, i coenzim, quan és una molècula orgànica com és el cas de moltes vitamines. Quan la part no proteica és orgànica i està unida per enllaços covalents s’anomena grup prostètic com a qualsevol heteroproteina. Un mateix cofactor o coenzim pot formar part de diversos enzims. El cofactor o conezim determina l’especifitat de funció, però no la de substrat.

3. Característiques de l'acció enzimàtica

A. Propietats dels enzims• Especifitat : La principal característica dels enzims és la seva elevada especificitat;

això explica que no es formin subproductes. L’especifitat dels enzims és doble:- Especificitat de substrat. El substrat (S) és la molècula sobre la qual l'enzim

exerceix la seva acció catalítica. Aquesta especificitat pot ésser absoluta, quan l'enzim només actua sobre un compost químic concret, o relativa, quan l'enzim actua sobre un grup de substàncies similars.

- Especificitat d'acció. Cada reacció està catalizada per un enzim específic.

• Regulació : L’activitat de molts enzims pot ésser controlada amb la presència o absència de determinades substàncies.

• Desnaturalització : Els enzims deixen de funcionar quan la proteïna perd la seva estructura.

B. Mecanisme d’accióLes substàncies sobre les que actua l’enzim s’anomenen substrats, i les

substàncies que deriven de la reacció sobre la que actuen s'anomenen productes.

11


Una reacció química pot tenir lloc degut a que una fracció important de les molècules de substrat assoleixen un estat energètic suficient que les permet interactuar rompent o formant enllaços (estat de transició). S’anomena energia d’activació a l’energia necessària per què un mol de substrat arribi a l’estat de transició.

Els catalitzadors disminueixen molt l’energia de l’estat de transició; aixío l’energia d’activació és menor i moltes més molècules poden reaccionar. En general un catalitzador és una substància que accelera una reacció química, fins a fer-la instantània o gairebé instantània.

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

El substrat s'uneix a l'enzim a través de nombroses interaccions febles com són: ponts d'hidrogen, electrostàtiques, hidrofòbbiques, etc, en un lloc específic, el centre actiu. Aquest centre és una petita part de l'enzim, constituït per una sèrie d'aminoàcids que interaccionen amb el substrat.

12


C. Cinètica enzimàticaLa velocitat d'una reacció es defineix com a la quantitat de matèria transformada

per unitat de temps i es mesura per la quantitat de substrat o de coenzim que desapareix o per la quantitat de producte que apareix en funció del temps.

Si representam gràficament la velocitat d'una reacció enzimàtica respecte a la concentració de substrat s'obté una corba hiperbòlica típica. Al principi la velocitat augmenta molt segons augmenta la concentració de substrat [S], però arriba un punt en

què ja no augmenta més per molt que augmenti la concentració de substrat. Aquestes dades experimentals cooroboren la hipòtesi de Michaelis-Menten: "si realment es forma el complex ES, quan la concentració de substrat és suficientment gran, tot l'enzim disponible es troba immediatament en forma de complex ES i la velocitat de reacció és màxima.

Un dels valors que més s'utilitza per a caracteritzar els enzims és la constant de Michaelis. Es defineix com la concentració de substrat a la que la velocitat de reacció és la meitat de la velocitat màxima. Es representa per KM i es mesura en mol·L-1. El valor de la KM es pot determinar gràficament i cada enzim té una KM característica per a cada substrat. Per tant, aquesta constant indica l'afinitat que presenta l'enzim pel substrat o sigui, la major o menor especificitat de la reacció. Quan major és la KM, major és la concentració de substrat necessària per aconseguir la velocitat semimàxima i, per tant, l'afinitat enzim substrat és menor.

D. Regulació enzimàtica La majoria de les reaccions metabòliques dels éssers vius esta catalitzades per

enzims. Per exemple, si una cèl·lula té necessitat d'un determinat component el fabricarà a partir d'una sèrie de reaccions metabòliques, una vegada en tengui prou quantitat de quina manera pot aturar aquest procés de fabricació?Així sorgeix la necessitat de regular l'activitat enzimàtica.

Els enzims al·lostèrics són enzims formats per varies unitats de proteïna entre les quals hi ha cooperació. 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 presència 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. L'al·losterisme permet l'autoregulació de l'activitat enzimàtica. Hi ha dos casos:

1. Regulació per retroinhibició o feed-back. Es produeix quan el producte final de la ruta metabòlica es fixa al centre regulador de primer enzim actuant com a inhibidor,

13


provocant la transcició all·lostèrica a la forma inacticva de l'enzim.2. Regulació per inducció enzimàtica. Es produeix quan una substància inicial es fixa

sobre el centre regulador provocant la transició al·lostèrica a la forma activa de l'enzim i comença a actuar.

L'al·losterisme determina una cinètica que no s'ajusta a l'equació de Michaelis. La velocitat de la reacció respecte a la concentració de substrat no és hiperbòlica si no sigmoïdal. Una petita concentració de substrat produeix uun petit increment de la velocitat, per després augmentar ràpidament i mantenir-se constant encara que augmenti la concentració de substrat. Sembla que les subunitats interaccionen (model cooperatiu) de manera que la unió del substrat al centre actiu d'una de les subunitats facilita la unió del substrat als centres actius d'altres subunitats.

E. Factors modificadors• Efecte del pH . Al comprovar experimentalment la influència del pH en la velocitat de

les reaccions enzimàtiques s'obtenen corbes que indiquen que els enzims presenten un pH òptim d'activitat, on aquesta és màxima, dins d'uns valors límit. El pH pot afectar de diverses maneres:

- El centre actiu pot contenir aminoàcids amb grups ionitzats que poden variar amb el pH.

- La ionització d'aminoàcids que no estan en el centre actiu pot provocar modificacions en la conformació de l'enzim.

- El substrat pot veure's afectat per les variacions del pH.Valors de pH fora dels límits els enzims es desnaturalitzen i perden la seva funcionalitat. La major part dels enzims presenten valors de pH propers a la neutralitat, encara que alguns enzims presenten variacions peculiars. Per exemple la pepsina de l’estomac, presenta un òptim a pH=2, i la fosfatasa alcalina de l'intestí a pH= 12

• Efecte de la temperatura . L'augment de la calor provocaa l'augment de la mobilitat de les molècules, cosa que provoca una major reactivitat (la velocitat de reacicó es duplica en augmentar la seva temperratura 10ºC. Però per damunt d'una determinada temperatura (entre 55 i 60 ºC) l'enzim es desnaturalitza en perdre la seva conformació que impossibilita la seva funció. Existeix una temperatua òptima on l'acctivitat enzimàtica és màxima. El descens de la temperatura no arriba a desnaturalitzar les enzims però els fa disminuir la seva activitat: aquesta és la raó de per què els animals pohiquiloterms es veuen obligats a hivernar.

• Presència d'inhibidors . Els inhibidors són substàncies que disminueixen o anul·len l'activitat enzimàtica d'un enzim. Poden ser perjudicials o beneficiosos com per exemple, la penicil·lina que és un inhibidor dels enzims que regulen la sínteis de la paret bacteriana.

14


Poden actuar com a reguladors del metabolisme o bé són utilitzats per al'estudi dels mecanismes d'acció enzimàtica. La inhibició pot ser de dos tipus: - Inhibició irreversible: L'inhibidor és una molècula que s'uneix irreversiblement al centre actiu de l'enzim formant el complex IE i l'inutilitzen. Actuen com a verins. Un exemple és la unió irreversible entre el grup cianur i el centre actiu de la citocrom oxidasa, enzim de la cadena de transport electrònic de la respiració cel·lular. - Inhibició reversible. L'inhibidor s'uneix amb l'enzim de forma temporal i la seva acció s'anul·la quan augmenta la concentració de substrat. N'hi ha de dues classes.

Competitiva: Els inhibidors competitius són molècules que presenten una gran semblança espacial amb el substrat, amb el qual competeixen per unir-se amb el centre actiu de l'enzim provocant l'aparició d'un complex IE. Si l'enzim fixa l'inhibidor queda bloquejat i, per tant, el substrat no pot fixar-se fins que l'inhibidor se'n vagi. La velocitat d ela reacció disminueix en funció de la concentració d'inhibidor. No competitiva: Els inhibidors no competitius redueixen l'activitat enzimàtica a causa de la distorsió de la conformació de l'enzim en unir-se a un punt diferent al centre actiu que s'anomena centre regulador. L'inhibidor es fixa al complex ES impedint la seva separació o s'uneix a l'enzim impedint l'entrada del substrat al centre actiu. Molt d'aquests inhibidors són reguladors al·lostèrics.

4. Les vitamines

A. Característiques generalsÉs freqüent veure agrupades enzims, vitamines i hormones sota la denominacio

conjunta de biocatalizadors. No obstant, el coneixement que posseim dels mecanismes d'acció d’aquestes tres castes de substàncies fa aconsellable matisar molt la definició, ja que són diferents a totes tres.

Les vitamines són substàncies orgàniques de composició química molt variable que són necessàries per al normal desenvolupament de les funcions dels organismes. Si bé els vegetals poden sintetitzar-les, els animals generalment són incapaços, pel que han de ser subministrades en la dieta. Actuen en quantitats molt petites, el que suggereix una possible funció catalítica.

15


B. Classificació i forma d'accióLes vitamines segons la seva solubilitat es classifiquen en:

1. Vitamines hidrosolubles. Són aquelles que es dissolen en aigua. Pertanyen a aquestgrup el complex B i la vitamina C. Són precursors o part de molècules de coenzims. Actuen, per tant, en processos de catàlisi enzimàtica.2. Vitamines liposolubles. Són aquelles que es dissolen en dissolvents lipídics. Pertanyen a aquest grup les vitamines A, D, K, E i F. No coneixem amb detall el seu mecanisme molecular d'acció, si be sabem que són necessaries per al correcte funcionament d'organismes superiors.

Aliments Acció Carència

Vita

min

es h

idro

solu

bles

B1 o tiamina en el llevat, germen del blat i en el rovell d'ou.

Intervé en el metabolisme dels hidrats de carboni i àcids grassos. És important en processos d’oxidació que produeixen energia.

Beri-beri

Vitamina B2 ulles verdes, llet, ous, fetge i llevat

Forma part dels coenzims FMN i FAD, que intervenen en reaccions redox,formant part de deshidrogenases que participen en processos de respiraciócel·lular.

Dermatitis

Vitamina B3 o Àcid nicotínic

fulles verdes i germen del blat

Precursor de la niacinamida, que forma part dels coenzims NAD i NADP, que intervenen en mecanismes redox, formant part de deshidrogenases dels processos respiratoris. També intervé en processos de l’aparell circulatori isistema nerviós.

Ocasiona en l'home la malaltia denominada pelagra(sindrome de les tres D: dermatitis, diarrea i demència)

Vitamina B5 o Àcid pantotènic

el llevat, cacauets, rovell d'ou, llet ifetge

Forma part del coenzim A, que intervéen moltes reacciones bioquimiques d’activació de certes molècules que intervenen en processos del catabolisme energètic. Participa en la producció d’hormones antiestres i en la producció d’anticossos i neurotransmissors.

Dermatitis, transtorns nerviosos, circulatoris, etc.

Vitamina B6 o piridoxina

llevat, grans de cereals, llet i en fetge

precursor d'un coenzim que intervé activament en el metabolismed’aminoàcids. Intervé en la síntesi de neurotransmissors.

anèmies en alguns animals, així com paràlisi

Vitamina B9 o Àcid fòlic

fulles verdes, fetge i rovell d'ou

precursor d'un coenzim que actua en processos de biosíntesi de les purines i, per tant dels àcids nucleics. Intervé de forma molt important en la formacióde cèl·lules sanguínies

anèmia i atura elcreixement dels infants.

Vitamina H o Biotina

llevat, rovell de l'ou i fruites fresques

Intervé en la síntesi d’àcids grassos i és essencial per al creixement

dermatitis

Vitamina B12 o cianocobalamina

fetge, peix, carn, llet i rovell d'ou

Cura l’anèmia perniciosa. Com a coenzim intervé en nombroses reaccions com el metabolisme dels àcids nucleics. Intervé en els processos de formació de cèl·lules sanguínies i en el manteniment de la beina de mielina.

anèmia perniciosa

Vitamina C o àcid ascòrbic

Taronges, llimones, tomàtigues i verdures i en molts animals

Conserva les parets dels capil·lars, ja que intervé en la síntesi de col·làgena isubstància intercel·lular dels capil·lars sanguinis.

escorbut, malaltia que patien amb frequencia els marins en l’antiguitat

16


Vita

min

es li

poso

lubl

es

Vitamina A En forma de precursor (el β-carote), es trobaen fulles verdes, pastanagues, etc. Es troba en l'oli de fetge de peix.

Protegeix i conserva les mucoses, i es necessària en el procés de la visió

xeroftàlmia

Vitamina D l'oli de fetge de peix i es produeix per exposició de la pell al sol

Regula el metabolisme del calci i del fosfor. raquitisme

Vitamina E fulles verdes, germen de blat i en alguns greixos vegetals

Actua com a substància antioxidant esterilitat

Vitamina K fulles verdes i en alguns bacteris.

Factor important en la coagulació sanguinia hemorragies

ÀCIDS NUCLEICS

Els àcids nucleics són polímers constituïts per la unió mitjançant enllaços químics d'unitats menors anomenades nucleòtids. Són compostos d'elevat pes molecular, és a dir, són macromolècules.

1. Components

Els nucleòtids estan formats per: una base nitrogenada (BN), un sucre (A) i àcid fosfòric (P), units en el següent ordre: P A BN

Les bases nitrogenades són substàncies derivades de dos compostos químics: la purina i la pirimidina. Les que deriven de la purina són les bases púriques. En els nucleòtids anem a trobar, normalment, dues base púriques: l'adenina (A) i la guanina (G). Les que deriven de la pirimidina es diuen pirimidíniques. Tres són les bases pirimidíniques presents en els àcids nucleics: la citosina (C), la timina (T) i l'uracil (U). En certs casos, encara que això passa molt rarament, es poden trobar alsàcids nucleics altres bases diferents d'aquestes cinc, generalment derivatsmetilat d'elles.

17


El glúcid que intervé en els nucleòtids pot ser o la ribosa (R) o la desoxiribosa (dR). Totes dues són aldopentoses i les trobarem en els nucleòtids com ß- furanoses. Convé destacar que l'única diferència entre ambdues és que en el carboni 2 de la desoxiribosa hi ha un hidrogen (-H) en lloc d'un grup alcohol (-OH).

El sucre i la base nitrogenada s'uneixen entre sí formant un nucleòsid. L'enllaç es forma entre el carboni anomèric del sucre i un dels nitrogens de la base nitrogenada. A la unió es forma una molècula d'aigua. Aquest enllaç rep el nom d'enllaç N-glucosídic.

L'àcid fosfòric s'uneix al nucleòsid formant un enllaç amb el carboni 5 del glúcid. L'estructura composta per una base nitrogenada, una ribosa o desoxiribosa i l'àcid fosfòric s'anomena mononucleòtid. És una unió fosfoéster entre un OH de l'àcid fosfòric i el OH situat al carboni 5 del sucre, amb formació d'unamolècula d'aigua. Segons el sucre sigui la ribosa o la desoxiribosa, tendrem ribonucleòtids o desoxiribonucleòtids. La timina mai forma part dels ribonucleòtids i l'uracil no forma part dels desoxiribonucleòtids.

Alguns nucleòtids compleixen funcions per sí mateixos. Per exemple, l'ATP i l'ADP són molècules que capten o desprenen energia en transformar unes en les altres. Alters nucleòtids intervenen en els processos d'òxid-reducció. Aquestes molècules capten electrons de molècules a les quals oxiden i els cedeixen a altres molècules a les que al seu torn redueixen. Són, per exemple, el NAD, el NADP o el FAD. Alguns nucleòtids compleixen funcions especials com a reguladors de processos metabòlics, per exemple el AMPc o AMP cíclic.

18


2. Polinucleòtids

Dos nucleòtids poden unir-se entre sí mitjançant un enllaç fosfoéster. Aquest enllaç es forma entre un OH de l'àcid fosfòric d'un nucleòtid i el OH (hidroxil) del carboni número 3 del sucre de l'altre nucleòtid amb formació d'una molècula d'aigua. La unió d'altres nucleòtids donarà lloc a un polinucleòtids. Cal destacar què en tota cadena de polinucleòtids el nucleòtid d'un dels extrems tindrà lliure el OH del sucre aposició 3, aquest serà l'extrem 3' de la cadena. L'àcid fosfòric del nucleòtid que es trobi en l'extrem oposat també estarà lliure, aquest serà l'extrem 5'. Això marca un sentit a la cadena de polinucleòtids. Tota cadena podrà considerar bé en sentit 3 '—› 5' o en sentit 5' —› 3' i convé indicar-ho.

2.1. Àcids desoxiribonucleics o DNA

El DNA és un polinucleòtid constituït per nucleòtids de timina, guanina, citosina i adenina. Els nucleòtids del DNA no tenen ni uracil, ni ribosa. Són molècules d'elevada massa molecular, molts milions de daltons.

L'ADN va ser aïllat per primera vegada el 1869, però fins el 1950 no es va començar a conèixer la seva estructura. Es troba al nucli de les cèl·lules eucariotes associat a proteïnes (histones i altres) formant la cromatina, substància que constitueix elscromosomes i a partir de la qual es transcriu la informació genètica. També hi ha ADN en certs orgànuls cel·lulars (per exemple: plasts i mitocondris).

Estructura del DNAEs poden distingir 3 nivells estructurals:-Estructura primària: La seqüència dels nucleòtids. -Estructura secundària: La doble hèlix.-Estructura terciària: nivells superiors d'empaquetament

19


Estructura primària del DNAÉs la seqüència de nucleòtids d'una cadena. És a dir, l'estructura primària del DNA

vé determinada per l'ordre dels nucleòtids a la cadena. Per indicar la seqüència d'una cadena de DNA només ens fan falta els noms de les bases o la seva inicial (A, T, C, G) en el seu ordre correcte i els extrems 5 'i 3' de la cadena nucleotídica. Així, per exemple:5'ACGTTTAACGACAAGGACAAGTATTAA3'La possibilitat de combinar quatre nucleòtids diferents i la gran longitud que poden tenir les cadenes polinucleotídiques, fan que hi pugui haver un elevat nombre de polinucleòtids possibles, el que determina que l'ADN pugui contenir el missatge biològic o informació genètica i explica la diversitat del missatge genètic de tots els éssers vius.

Estructura secundària del DNAL'estructura secundària del DNA és la disposició a l'espai de dues cadenes de

polinucleòtids en doble hèlix. Les bases nitrogenades se situen una enfront de l'altre unides per ponts d'hidrogen. Aquesta estructura es dedueix a partir de les següents dades experimentals de :

• Estudis cromatogràfics i d'anàlisis químiques realitzats per Chargaff. Analitzà la freqüència d'aparició de nucleòtids i observà que tots els DNA tenien la mateixa proporció d'adenines que de timines i la mateixa de citosines que de guanines. Això implica, per tant, que els ponts d'hidrogen s'estableixen entre A i T i entre C i G. Tenint en compte les característiques químiques i estructurals de les bases nitrogenades, A i T estableixen dos ponts d'hidrogen entre elles i entre G i C s'estableixen tres ponts d'hidrogen.

• Estudis d'espectres de difracció de raigs X sobre molècules cristal·litzades de DNA realitzats per Franklin i Wilkins. La difracció de raigs X es basa en la desviació que pateixen els raigs X quan incideixen sobre els àtoms d'una molècula. Els raigs

impressionen una placa fotogràfica originant un dibuix de punts en el que es pot mesurar la desviació dels raigs i deduir les distàncies entre els àtoms de la molècula que s'estudia. A partir dels estudis per difracció de raigs X de la molècula de DNA Franklin i Wilkns observaren que la molècula té una estructura fibril·lar de 20 Å de diàmetre. També observaren que certes unitats es repetien cada 3,4 Å i hi havia una repetició major cada 34 Å.

20


Basant-se en totes aquestes dades l'any 1953 Watson i Crick publicaren a la revista Nature l'article on explicaven el model de la doble hèlix del DNA. Segons aquest model el DNA està format per dues cadenes antiparal·leles de polinucleòtids, és a dir, les cadenes tenen els enllaços 5' —› 3' una en cada sentit. Les dues cadenes són complementàries i s'enrodillen una sobre l'altre en forma de doble hèlix. La complementarietat de les cadenes significa que si en una cadena hi ha una adenina a l'altra cadena i al mateix nivell hi ha una timina. Per tant, la seqüència de cada cadena és diferent.

Les bases nitrogenades es disposen cap a l'interior de la molècula. Entre els grups hidrofòbics de les bases nitrogenades s'estableixen interaccions hidrofòbiques que col·laboren amb els ponts d'hidrogen per donar estabilitat a la molècula. L'esquelet del DNA format per les desoxiriboses unides per enllaços fosfoéster als grup fosfat queden a l'exterior.

Propietats de l'estructura secundària del DNALa doble hèlix de DNA en estat natural és molt estable. Però si una dissolució

s'encalenteix suficientment les dues cadenes se separen, ja que es trenquen els enllaços d'hidrogen que uneixen les bases, i el DNA es desnaturalitza. La temperatura dedesnaturalització depèn de la proporció de bases nitrogenades. A major proporció de C-G,major temperatura de desnaturalització, ja que la citosina i la guanina s'estableixen tresponts d'hidrogen, mentre que la adenina i la timina només dos i, per tant, a més gran proporció de C-G, més ponts de hidrogen uniran les dues cadenes. La desnaturalització es produeix també variant el pH o a concentracions salines molt elevades. Si es restableixen les condicions, el DNA es renaturalitza i totes dues cadenes s'uneixen de nou.

2.2. Àcids ribonucleics o RNAEstan formats per la unió de molts ribonucleòtids, els quals s'uneixen entre ells

mitjançant enllaços fosfodiester en sentit 5' —› 3'( igual que al DNA ). Estan formats per una sola cadena, amb l'excepció del RNA bicatenari dels reovirus.

Estructura primària Igual que l’ADN, es refereix a la seqüència de les bases nitrogenades que

constituixen els seus nucleòtids.

Estructura secundària Alguna vegada, en una mateixa cadena, existeixen regions amb seqüències

complementàries capaces d'aparallar-se.

21


Classificació Per a classificar-los s'adopta la massa molecular mitjana de les seves cadenes, el

valor de les quals es dedueix de la velocitat de sedimentació. La massa molecular, i per tant les seves dimensions, s'amiden en svedberg (S). Segons això tenim:

• RNA MISSATGER (RNAm): Està format per llargues cadenes amb estructura primaria. S'anomena missatger perquè transporta la informació necessària per a la síntesi proteica. Cada RNAm té informació per a sintetitzar una proteïna determinada. La seva

vida mitjana és curta. En els organismes procariotes l'extrem 5' posseeix un grup trifosfat mentre que en els organismes eucariones l'extrem 5' posseeix un grup metilguanosinaunit al trifosfat, i l'extrem 3' posseeix una coa de poli-A.En els eucariotes es poden distingir:

∼ Exons, seqüències de bases que codifiquen proteïnes∼Introns, seqüències sense informació.Un RNAm d'aquest tipus ha de

madurar (eliminació dels introns) abans de que es faci funcional. Abans de madurar, l'RNAm rep el nom d’ RNA heterogeni-nuclear (ARNhn ).

• RNA RIBOSÒMIC (RNAr): És l'RNA que forma part dels ribosomes. Cada RNAr presenta una cadena de diferent grandria, amb estructura secundària i terciària. Stan relacionats amb la síntesi de proteïnes.

• RNA NUCLEOLAR (RNAn): Si sintetiza en el nucleol. Posseeix una massa molecular de 45 S i actua com precursor de part de lRNAr, concretament dels ARNr 28 S (de la subunitat major), els ARNr 5,8 S (de la subunitat major) i els ARNr 18 S (de la subunitat menor)

• RNA TRANSFERIDOR (RNAt): Són molècules petites. Posseeixen en algunes zones estructura secundària, el que va fer que en les zones on no hi ha bases complementàries adquireixin un aspecte de bucles, com una fulla de trèbol. Els plegaments s'arriben a fer tan complexos que adquireixen una estructura terciària. La seva missió és unir aminoàcids i transportar-los fins l’RNAm per a sintetitzar proteïnes. El lloc exacte per a col·locar-se en l’RNAm són tres bases que es diuen anticodó (les complementàries en l’RNAm es diuen codó).

22


3. Funcions

Els àcids nucleics, anomenats així perquè en un principi van ser localitzats al nucli cel·lular, són les molècules de la herència i, per tant, participen en els mecanismes mitjançant els quals la informació genètica s'emmagatzema, replica i transcriu. Aquesta no serà la seva única funció. Determinats derivats d'aquestes substàncies: els nucleòtids, tindran altres funcions biològiques, entre les que poden destacar, com a exemple, la de servir d'intermediaris en les transferències d'energia en les cèl·lules (ATP, ADP ialtres) o en les transferències d'electrons (NAD, NADP, FAD, etc.).

23

apunts unitat 2

Documents