BIOENERGETICA Y ENZIMOLOGIA

ELEMENTOS DE BIOENERGETICA

SOL

HETEROTROFOSFOTOSINTETICOS

AUTOTROFOS

OXIGENO

PRODUCTOS ORGANICOS

CO2

H2O

CICLO DE LA ENERGIA EN LOS SISTEMAS VIVOS

LA TERMODINAMICA CLASICA SE APLICA A SISTEMAS CERRADOS

LA CELULA ES UN SISTEMA ABIERTO

LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA CLASICA SE APLICAN SOLO A SISTEMAS CERRADOS

LA CELULA ES UN SISTEMA ABIERTO

LA TERMODINAMICA NO CONSIDERA EL FACTOR TIEMPOEN SU TRATAMIENTO MATEMATICO

PARA LA CELULA EL TIEMPO ES UN FACTOR MUY IMPORTANTE

SIN EMBARGO, LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICACONSTITUYE LA MEJOR APROXIMACION PARA INTERPRETARLOS PROCESO DE GENERACION E INTERCAMBIO DE ENERGIAEN LOS SISTEMAS BIOLOGICOS

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA:

ΔG = ΔH - TΔS

CAMBIO DE ENERGIA LIBRE ENTALPIA ENTROPIA

PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA CELULAR

SEGUNDA LEY ΔG = ΔH - TΔS

K eq =C D

A B

ΔG = - 2,3 RT Log Keq

ΔG = valor negativo REACCION EXERGONICA

ΔG = valor positivo REACCION ENDERGONICA

LA ENERGIA SE EXPRESA EN kJ/mol o kcal/mol

A + B C + DK eq

ΔG DE ALGUNOS METABOLITOS

FOSFOENOL PIRUVICO - 14,81,3-DIFOSFOGLICERICO - 11,8FOSFOCREATINA - 10,3ADP AMP + P - 7,8ACETILCoA - 7,5ATP ADP + P - 7,3ATP AMP + PP - 10,9PP P + P - 4,0GLUCOSA-1-P - 5,0GLUCOSA-6-P - 3,3GLICEROL-1-P - 2,2

Kcal/mol

ALTO VALORENERGETICO

BAJO VALORENERGETICO

ROL CENTRAL DEL ATP EN EL METABOLISMO ENERGETICO

A

R P P P

O O O

O O O

O

Mg+2 Mg+2

R P P

O O

O O

O

A

+ P

O

O

O

O

18 ESTRUCTURAS RESONANTES

24 ESTRUCTURAS RESONANTES

ATP

ADP

O

O

O O

O

FOSFOROINORGANICO (Pi)

ENLACE ESTER

ENLACEANHIDRIDO

METABOLISMO INTERMEDIARIO

CONJUNTO DE REACCIONES CATABOLICAS Y ANABOLICASQUE OCURREN EN UNA CELULA, TEJIDO, ORGANO, U ORGANISMO

METABOLISMOINTERMEDIARIO

CARBOHIDRATOS

LIPIDOS

PROTEINAS

NUCLEOTIDOS

ESQUEMA CENTRAL DELMETABOLISMO INTERMEDIARIO

REACCIONES ACOPLADAS

G + F S ΔG = + 5,4 kcal/mol

G + ATP G-6-P + ADP ΔG = - 7,3 kcal/mol

G-6-P + F S + P ΔG = + 5,4 kcal/mol

G + F +ATP S + ADP + P ΔG = - 1,9 kcal/mol

PEP + H2O PIR + P ΔG = - 14,8 kcal/mol

ADP + P ATP + H2O ΔG = + 7,3 kcal/mol

PEP + ADP PIR + ATP ΔG = - 7,5 kcal/mol

PERMITEN CONVERTIR REACCIONES ENDERGONICAS EN EXERGONICASO APROVECHAR LA ENERGIA LIBERADA POR UNA REACCION EXERGONICAPARA LOGRAR UNA SINTESIS ENDERGONICA

OBTENCION DE ENERGIA A PARTIR DE PROCESOS DE OXIDO - REDUCCION (REDOX)

ΔG = -n F ΔE

NAD(OXID) NADH + H+

ΔG = - 5,9 kcal/mol

ETANOL+ NAD ACETALDEHIDO + NADH + H+

(REACCION EXERGONICA)

ACETALDEHIDO + NADH + H+ ETANOL + NAD

(REACCION ENDERGONICA)

EN ESTE TIPO DE REACCIONES SE PRODUCE TRANSFERENCIA DE ELECTRONES

CONSTANTE DE FARADAY DIFERENCIA DE POTENCIAL

CONCEPTOS DERIVADOS DE LA TERMODINAMICA CELULAR

LA CELULA UTILIZA LA ENERGIA QUIMICA DE LAS MOLECULASPARA REALIZAR TRABAJO: MOVIMIENTO, CONCENTRACION, ELECTRICO

EL METABOLISMO INTERMEDIARIO APROVECHA LAS REACCIONESEXERGÓNICAS PARA REALIZAR PROCESOS ENDERGONICOS

MEDIANTE EL MECANISMO DE LAS REACCIONES ACOPLADAS, LA CELULA PUEDE REALIZAR PROCESOS ENDERGONICOS CON EXCEDENTEDE ENERGIA

LOS PROCESOS DE OXIDO-REDUCCION TAMBIEN PUEDEN APORTAR ENERGIA UTILIZABLE METABOLICAMENTE EVOLUTIVAMENTE EL ATP ES LA “MONEDA” DE INTERCAMBIO ENERGETICO EN TODOS LOS SERES VIVOS

ALTERNATIVAMENTE EL GTP TAMBIEN PUEDE APORTAR ENERGIA PARA LA REALIZACION DE PROCESOS ENDERGONICOS

ENZIMOLOGIA

UBICACIÓN CELULAR DE LAS ENZIMASNOMENCLATURACLASIFICACION CONCEPTO DE SUSTRATOCONCEPTO DE SITIO ACTIVOESPECIFICIDADBIOENERGETICACINETICA ENZIMATICAINHIBICION ENZIMATICAREGULACION DE ACTIVIDAD ENZIMATICAISOENZIMASIMPORTANCIA CLINICA Y DIAGNOSTICA

ENZIMAS HIDROLITICAS

CICLO DE KREBSBETA OXIDACIONCICLO DE UREARESPIRACION CELULARFOSFORILACION OXIDATIVA

MITOCONDRIA

PEROXISOMA

GLICOLISISGLICOGENESISGLICOGENOLISISGLUCONEOGENESISCICLO DE PENTOSASBIOSINTESIS DE PROTEINASBIOSINTESIS DE LIPOPROTEINASBIOSINTESIS AC. GRASOSBIOSINTESIS DE FOSFOLIPIDOSBIOSINTESIS COLESTEROLCICLO DE UREAMETABOLISMO DE XENOBIOTICOS

DNA POLIMERASASREPARACION DEL DNARNA POLIMERASASPROCESAMIENTO DEL RNA

BETA OXID. AC GRASOS CADENA LARGAENZIMAS OXIDATIVAS

ENZIMAS DE MEMBRANABOMBAS MOLECULARESTRANSPORTADORES

LISOSOMA

ENZIMAS INTRACELULARES: MAS DE 3000

ENZIMAS SECRETADASO LIBERADAS AL EXTRACELULAR

MATRIZ EXTRACELULARSISTEMA DIGESTIVOCIRCULATORIASAPOPTOSISNECROSIS

ENZIMAS EXTRACELULARES: 100 A 200

MAS FACILES DE OBTENERCANTIDAD SUFICIENTE PARA PODER PURIFICARLAS SON LAS MEJOR CARACTERIZADAS EN CUANTO ASU ESTRUCTURA, FUNCION Y REGULACION

CLASIFICACION INTERNACIONAL DE LAS ENZIMAS

1 OXIDOREDUCTASAS transferencia de electrones

2 TRANSFERASAS transferencia de grupos químicos

3 HIDROLASAS reacciones de hidrólisis

4 LIASAS adición a dobles enlaces

5 ISOMERASAS transforman isómeros

6 LIGASAS formación de enlaces covalentes

EC: ENZYME CODE

CUANDO SE CITA UNA ENZIMA, SE DEBE INDICAR SU ECEJEMPLO: HEXOQUINASA (EC: 3.2.4.3)

CONCEPTO DE SITIO ACTIVO SEGÚN HIPOTESIS DEL ENCAJE INDUCIDO

SS

AA de contacto

AA auxiliares SITIO ACTIVO OSITIO CATALITICO

P

EFECTOS DE ORIENTACION

EFECTOS DE APROXIMACION

LA PRESENCIA DEL SUSTRATO PRODUCE UN CAMBIO CONFORMACIONAL EN LA ESTRUCTURA DEL ENTORNO DEL SITIO ACTIVO

COFACTORES ENZIMATICOS

COENZIMOS

NAD, NADP, NADH, NADPH, FAD, FADH, PIRIDOXAL FOSFATO, TIAMINA PIROFOSFATO, ACIDO ASCORBICO, ACIDO PANTOTENICO

METALES Y IONES

HIERRO, ZINC, COBRE, NIQUEL, SELENIO, CALCIO, MAGNESIO,MANGANESO, SODIO, POTASIO, CLORURO, IODURO

LOS COFACTORES PUEDEN ESTAR UNIDOS QUIMICAMENTE A LA ENZIMA O SOLO PRESENTES EN EL MEDIO DONDE ESTA ACTUA

APOENZIMA + COFACTOR = HOLOENZIMA

BIOENERGETICA ENZIMATICA

A

B

ΔG

ΔEa

Keq = B

A

PROGRESO DE LA REACCION

NIV

EL

EN

ER

GE

TIC

O

A BE

(ENERGIA DE ACTIVACION)

ΔGKeqΔEa

CINETICA ENZIMATICA:

CONCEPTO DE COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO

E1 + S E2-S E3-P E1 + P

PROGRESO DE LA REACCION

CONCENTRACION S/P/E-S

SUSTRATO

PRODUCTO

COMPLEJO E-S

E1, E2, E3 SON CONFORMACIONES DIFERENTES DE LA ENZIMA

MAUD MENTEN(1879 – 1960)

LEONOR MICHAELIS(1875 – 1949)

LOS ORIGENES DELA CINETICAENZIMATICA

CINETICA DE MICHAELIS – MENTEN (cinética Michaeliana) CORRESPONDE A UN SEGMENTO DE HIPERBOLA EQUILATERA

v = Vmax S

Km + S

v = Δt

ΔS

v =ΔP

Δt

v

SKm

Vmax

2

Velocidad máxima

Enzima saturadamáxima concentración enzima-sustrato

E = constante

Velocidad de reacción

Concentración de sustrato

(Constante de Michaelis)

Km o CONSTANTE DE MICHAELIS

- CORRESPONDE A LA CANTIDAD DE SUSTRATO NECESARIA PARA ALCANZAR LA MITAD DE LA VELOCIDAD MAXIMA DE LA REACCION, IMPLICA UN 50% DE SATURACION DE LA ENZIMA

- ES UNA MEDIDA DE LA AFINIDAD DE LA ENZIMA POR EL SUSTRATO, A MENOR Km MAYOR AFINIDADENZIMA-SUSTRATO

- EN SISTEMAS METABOLICOS DONDE PARTICIPAN VARIAS ENZIMAS, PERMITE DETERMINAR EL CAMINO PREFERENCIAL

IMPORTANCIA DE Km EN LAS ENCRUCIJADAS METABOLICAS

A B C D

E

F

E1 E2 E3

E4

E5

Km E4= 0,001M

Km E5= 0,01M

LA VIA METABOLICA PREFERENCIAL ES LA DE MENOR Km LO CUAL NO SIGNIFICA QUE NO SE PRODUZCA LA OTRA

VIA METABOLICA, LA QUE OCURRE A MENOR VELOCIDAD

v = -------------Vmax S

Km + S

1

v---- = --------------

Km + S

Vmax S

1---- = -------- + ---------v

Km S

Vmax S Vmax S

1

v---- = ------- ------ + ----------

Km 1 1

Vmax S Vmax

VARIABLE DEPENDIENTE (Y)

PENDIENTE (m) VARIABLE INTERCEPTO (b) INDEPENDIENTE (X)

TRANSFORMACION DE LA ECUACION DEMICHAELIS - MENTEN EN LA ECUACIONDE UNA RECTA (LINEWEAVER – BURKE)

y = mx + b

CINETICA DE LINEWEAVER- BURKE

1

v= +

1

Vmax

Km

Vmax

1

S

1S

1v

KmVmax

1Km

Pendiente =

1Vmax

O CINETICA RECIPROCA

Y PENDIENTE INTERCEPTO

X

TRANSFORMA LA ECUACION DE MICHAELIS EN LA EXPRESION DE UNARECTA

INHIBICION ENZIMATICA

COMPETITIVA

NO COMPETITIVA

Inhibidor tiene similitud estructural con el sustratoInhibidor bloquea el sitio activo en forma no permanenteInhibidor no es convertido a productoEs reversibleEs relativamente específica

No hay similitud estructural con sustratoInhibidor reacciona químicamente con la enzima, nonecesariamente en el sitio activoInhibidor no es convertido a productoEs esencialmente irreversibleEs muy inespecífica

SUSTRATO

INHIBIDORCOMPETITIVO

INHIBIDOR NOCOMPETITIVO

EFECTO CONCEPTUAL DE LOS INHIBIDORES

LA GRAN MAYORIA DELOS INHIBIDORES ENZIMATICOS SON DEL TIPO NO COMPETITIVO

INHIBICION COMPETITIVA

INHIBICION NO COMPETITIVA

EXPRESION CINETICA DE LA INHIBICION COMPETITIVA

CINETICA MICHAELIANA

KmcKmi1

Kmi2

v

Vmax 2

S

1S

1v i1

i2

c

1Vmax

Km 1Km

Vmax =

1Kmc

i1 i2

CINETICA RECIPROCA

EL COLESTEROL CONTROLA SU PROPIA BIOÍNTESIS ACTUANDO SOBRE LAENZIMA HMG-CoA REDUCTASA

EJEMPLO DE UN CONTROL METABOLICO

EXPRESION CINETICA DE INHIBICION NO COMPETITIVA

CINETICA MICHAELIANA

Km

v

Vmax 2

S

1S

1v i1

i2

c

1Vmax

Km 1Km

Vmax

=

1Km

Vmax i1

Vmax i2

=

CINETICA RECIPROCA

EJEMPLOS DE INHIBIDORES NO COMPETITIVOS

ACIDO ACETIL SALICILICO (ASPIRINA): INHIBE A ENZIMA CICLOOXIGENASAINVOLUCRADA EN LA FORMACION DE TROMBOXANOS QUE ESTIMULAN LAAGREGACION PLAQUETARIA Y LA FORMACION DE TROMBOS

INSECTICIDAS ORGANO FOSFORADOS Y ORGANO CLORADOS: INHIBIDORESDE LA ENZIMA ACETILCOLINESTERASA DE LOS INSECTOS

PENICILINA Y AMOXICILINA: INHIBIDORAS DE ENZIMAS QUE FORMAN LA PARED BACTERIANA

CAPTOPRIL Y ENALPRIL: FARMACOS INHIBIDORES DE ENZIMAS INVOLUCRADAS EN LA REGULACION DE LA PRESION ARTERIAL

LOS METALES PESADOS: PLOMO (ANEMIA Y DAÑO NEUROLOGICO), CADMIO (NEFROTOXICIDAD), MERCURIO (LESIONES EN SNC, MUSCULO Y RENAL),PRODUCEN CUADROS DE TOXICIDAD AGUDA Y CRONICA PORQUE SON PODEROSOS INHIBIDORES NO COMPETITIVOS DE MUCHAS ENZIMAS

GASES NEUROTOXICOS COMO EL GAS MOSTAZA Y EL GAS SARIN, INHIBEN ENZIMAS QUE BIOSINTETIZAN O DEGRADAN NEUROTRANSMISORES

TOXINAS COMO LA SAXITOXINA DE LA MAREA ROJA, BLOQUEA EN FORMA NOREVERSIBLE ENZIMAS QUE PERMITEN LA LIBERACION DE NEUROTRANSMISORES

A B C D E F E1 E2 E3 E4 E5

FEED-BACK NEGATIVO

REGULADORES INTRA O EXTRACELULARES (metabolitos, segundos mensajeros, hormonas, vitaminas)

DIFERENTES MODALIDADES DE REGULACION DE UN SISTEMA METABOLICO A TRAVES DE LAS ENZIMAS

ACTIVACION POR SUSTRATO

INHIBICIONPOR PRODUCTO

GENERALMENTE, LA PRIMERA ENZIMA DE UN SISTEMA METABOLICO ES LA SUJETA A MAYORES NIVELES DE REGULACION

REGULACION DE LA ACTIVIDAD ENZIMATICA

- A NIVEL DE LA ACTIVIDAD DE LA ENZIMA

- POR ACCION PROTEOLITICA - MODIFICACION COVALENTE - ALOSTERISMO

CARACTERISTICA: RESPUESTA MUY RAPIDA Y DE CORTO PLAZO

- A NIVEL DE LA CANTIDAD DE ENZIMA

- REGULACION DE SU SINTESIS - REGULACION DE SU DEGRADACION - REGULACION DEL TRANSPORTE

CARACTERISTICA: RESPUESTA LENTA PERO MAS PERMANENTE

ACCION PROTEOLITICA

ENZIMA INACTIVA (ZIMOGENO O PROENZIMA)

PROTEASA CUYAACTIVIDAD PUEDE SER CONTROLADA

+

ENZIMA ACTIVA

PEPTIDO INHIBIDOR

EJEMPLOS

PEPSINOGENO PEPSINATRIPSINOGENO TRIPSINA

LA ACTIVACION SE PRODUCE POR LIBERACION DE UN PEPTIDO INHIBIDORPUEDE SER REVERSIBLE SI EL INHIBIDOR SE UNE NUEVAMENTE A LA ENZIMA

REGULACION POR MODIFICACION COVALENTE

- FOSFORILACION - DEFOSFORILACION

- METILACION - DEMETILACION

- ACETILACION - DEACETILACION

GLICOGENO FOSFORILASA INACTIVA

GLICOGENO SINTETASA ACTIVA

ATP

P

P

ACTIVA

INACTIVA

CARACTERISTICAS: RESPUESTA “ON-OFF” MUY RAPIDA

LAS FOSFORILACIONES LAS REALIZAN ENZIMAS LLAMADAS “QUINASAS”GENERALMENTE SE FOSFORILAN RESIDUOS DE SERINA, TIROSINA, O TREONINA

REGULACION POR ALOSTERISMO

SINTESIS DE BASES PIRIMIDICAS

ASPARTATO CTP

ATC asaINHIBE

SINTESIS DE BASES PURICAS

PURINAS ATP

ACTIVA

ENZIMAS IDENTIFICADAS COMO ALOSTERICAS, DETERMINAN CONFORMACIONES DE MAYOR O MENOR ACTIVIDAD, NO ES “ON-OFF”LA RESPUESTA ES TAMBIEN RAPIDA, PERO DE MENOR VELOCIDAD QUE LA MODIFICACION COVALENTE

ATC asa: ASPARTATOTRANSCARBAMILASA

ATC asa COMO MODELO DE ENZIMA ALOSTERICA

R C ATC asa (HOLOENZIMA)

SEPARACIONCROMATOGRAFICA

R C

SUB-UNIDADREGULADORA SUB-UNIDAD

CATALITICA

ATP CTPv

S

v

S

v

S

R

R

C

C

SUBUNIDADCATALITICA

SUBUNIDADREGULADORA

ATC asa

Km ATP Km CTP

Km control

NO HAY ACTIVIDAD CATALITICA

CINETICASIGMOIDEA

CINETICAMICHAELIANA

SIGNIFICADO DE UNA CINETICA SIGMOIDEA

CAMBIO BRUSCO DE LA VELOCIDADDE REACCION EN RANGO PEQUEÑODE CONCENTRACION DEL SUSTRATO

CONCENTRACION DE SUSTRATO

VELOCIDADDE REACCION

CINETICASIGMOIDEA

MODELO DE ALOSTERISMO

CONFORMACION MAS ACTIVA

R

ATP

CTP

C

SITIO ALOSTERICO

R C

CTPCONFORMACION MENOS ACTIVA

ATP POSITIVO

EFECTOR O ACTIVADOR ALOSTERICO

CTPNEGATIVO

LA ENZIMA SUFRE CAMBIOS CONFORMACIONALES DE MAYOR OMENOR ACTIVIDAD EN FUNCION DE LA CONCENTRACION RELATIVA DE LOS EFECTORES POSITIVOS Y NEGATIVOS

CAMBIO CONFORMACIONAL

PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS ALOSTERICAS

- GENERALMENTE SON LAS PRIMERAS ENZIMAS EN UN SISTEMA METABOLICO

- PRESENTAN ESTRUCTURA CUATERNARIA

- TIENEN CINETICA SIGMOIDEA

- PRESENTAN SUBUNIDADES CATALITICAS Y REGULADORAS

- RESPONDEN A EFECTORES POSITIVOS Y NEGATIVOS

- TIENEN CONFORMACIONES DE MAYOR Y MENOR ACTIVIDAD

- NUNCA ESTAN TOTALMENTE ACTIVAS O INACTIVAS

- SU RESPUESTA ES RAPIDA, PERO DE MENOR VELOCIDAD QUE LA MODIFICACION COVALENTE

ISOENZIMAS O ISOZIMAS

DIFERENTES FORMAS MOLECULARES DE UNA MISMA ACTIVIDAD ENZIMATICA

LACTATO DESHIDROGENASA (LDH)

M H

MMMM

MMMH

MMHH

MHHH

HHHH

PIRUVATO LACTATO

NADH NAD

CADA TEJIDOPOSEE UNA O MASFORMAS DE UNAISOENZIMACARACTERISTICA

LDH

SUBUNIDAD M SUBUNIDAD H

VALORES DE LH EN PACIENTES CONENFERMEDAD PULMONAR CRONICA

OBSTRUCTIVA

LDH3 ISOENZIMA CARDIACA

ACT.ENZIMATICA

pH7,1-7,4

ACT.ENZIMATICA

TEMP

AUMENTO DE ACTIVIDADPOR EFECTO DE TEMPERATURA

DISMINUCION DE ACTIVIDADPOR EFECTO DESNATURANTE

EFECTO DE pH y DE TEMPERATURA EN LA ACTIVIDAD ENZMATICA

Temperatura optima

PEPSINA

GLUCOSA OXIDASA

PAPAINA

QUIMOTRIPSINA

ENZIMAS CON VALOR DIAGNOSTICO

TRANSAMINASAS DAÑO HEPATICOLACTATO DESHIDROGENASA INFARTO AL MIOCARDIOCREATINA QUINASA INFARTO AL MIOCARDIOFOSFATASA ALCALINA CIERTOS TUMORES

ENZIMAS MARCADORAS DE ENFERMEDADES GENETICAS

METABOLISMO DE CARBOHIDRATOSMETABOLISMO DE AMINOACIDOSMETABOLISMO DE NUCLEOTIDOSMETABOLISMO DE ACIDOS GRASOSMETABOLISMO DEL COLESTEROLMETABOLISMO DE LIPOPROTEINASMETABOLISMO DE NEUROTRANSMISORESMETABOLISMO DE HORMONAS

HORAS24 48

ACTIVIDADENZIMATICA

INFARTO

CK LH

MODIFICACION DE LA ACTIVIDAD PLASMATICA DE CREATINA QUINASA (CK) Y DE LACTATO DESHIDROGENASA (LH) PLASMATICAS DESPUES DE UN INFARTO AL MIOCARDIO